Лекция 7. для студентов лесохозяйственного факультета

Лекция

для студентов лесохозяйственного факультета

(специальность 260400)

Брянск, 2003

Гидрология – наука, изучающая подземные воды Земли, их историю, происхождение, формирование состава, режим, геологическую и геохимическую деятельность.

Родоначальниками Российской гидрологии следует считать основоположника геологической науки М.В. Ломоносова, его учеников И.И. Лепехина, В.Ф. Зуева, С.П. Крашенникова, С.П. Никитина, В.В. Докучаева, И.В. Мушкетова. В 1882 году в России открыт геологический институт и кафедру гидрологии возглавлял А.Н. Семихотов. Развитие науки в послевоенные годы продолжили Ф.П. Саваренский, Г.Н. Каменский, В.А. Приклонский, А.Н. Семихотов, Н.К. Игнатович, О.К. Ланге, И.В. Попов, Н.И. Толстихин и др.

Современная гидрогеология является комплексной наукой естественно-исторического цикла из следующих разделов:

1) общая гидрогеология рассматривает вопросы распределения подземных вод, изучает их историю, состав, режим и другие особенности;

2) динамика подземных вод изучает законы передвижения подземных вод в горных породах в естественных условиях и при их эксплуатации;

3) региональная гидрогеология даёт общую характеристику, качественную и количественную оценку подземных вод по отдельным районам;

4) прикладная гидрогеология обслуживает отдельные отрасли народного хозяйства и изучает преимущественно вредное действие подземных вод (засоление и заболачивание почв при гидротехнических мелиорациях, обводнение нефтяных залежей, прорывы вод в шахты, рудники). В этом разделе рассматриваются методики гидрологических исследований, поиски и разведка подземных вод для различных целей, выявление радиогидрологических аномалий.

Главная цель гидрологических исследований – выявление новых резервов питьевой воды. Разведанные запасы пресных подземных вод на территории СНГ составляют более 290 км³, слабосолоноватых и солоноватых около 40 км³.

Вода в природе встречается в трёх фазовых состояниях: газообразном (пары воды), жидком и твёрдом (лёд). Жидкая вода бывает атмосферная (наземная или поверхностная) и подземная. Все виды воды взаимосвязаны друг с другом. Вода в условиях земной поверхности находится в постоянном движении и происходит её постоянный круговорот. Различают большой, малый и внутренний круговорот воды в природе.

Под большим круговоротом понимают процесс обмена и переноса влаги, испаряющейся с поверхности Мирового океана, в виде осадков на материки и обратно в океан в виде поверхностного и подземного стока. Малый круговорот характеризуется испарением влаги с поверхности океана или материка и выпадением атмосферных осадков на ту же поверхность. Внутренний круговорот характеризуется образованием дополнительных или местных осадков за счёт испарения с площади ограниченного участка суши (создание оросительных и осушительных систем).

В процессе круговорота воды в природе происходит постоянное возобновление природных вод, в т.ч. и подземных. Процесс смены первоначально накопившихся вод поступающими вновь называют водообменом. Интенсивность обмена подземных вод различна и зависит от глубины их залегания. В верхней части земной коры выделяют следующие зоны по интенсивности обмена:

- интенсивного обмена (воды преимущественно пресные) расположена в самой верхней части земной коры до глубины 300…400 м, реже глубже; подземные воды этой зоны дренируются реками; в масштабе геологического времени – это воды молодые; водообмен осуществляется за десятки и тысячи лет;

- замедленного водообмена (воды солоноватые и солёные) занимает промежуточное положение и располагается на глубине 600…2000 м; обновление вод в процессе круговорота происходит в течение сотен тысяч лет;

- весьма замедленного водообмена (воды типа рассолов) приурочены к глубоким зонам земной коры и полностью изолирована от поверхностных вод и атмосферных осадков; водообмен - в течение сотен миллионов лет.

Наибольшее значение для водоснабжения имеют подземные воды, циркулирующие в зоне интенсивного обмена. Постоянно пополняясь атмосферными осадками и водами поверхностных водоёмов, они, как правило, отличаются значительными запасами и высоким качеством. Воды двух нижних зон, расположенных до глубины 10…15 км, в процессе круговорота практически не возобновляются, запасы их не пополняются.

Количественное выражение круговорота подземных вод, или соотношение между приходом воды в пласт и отходом из пласта на данном участке за определённое время называется балансом подземных вод. На баланс подземных вод оказывают влияние геоморфологические, геологические и почвенно-климатические факторы.

Приход осуществляется: путём инфильтрации атмосферных осадков; путём конденсации паров и просачивания конденсационной воды в глубину; путём просачивания воды рек и поверхностных водоёмов.

Расход выражается: в выходе источников подземных вод на поверхность Земли; в подземном питании открытых водоёмов; в испарении поднимающейся по капиллярам влаги; в испарении через транспирацию растениями; в искусственном извлечении воды человеком.

Состав и свойства. Главнейшими физическими свойствами воды являются: температура,

плотность, прозрачность, цвет, запах, вкус, радиоактивность. Свойства воды, определяемые с помощью органов чувств, называются органолептическими.

Температура вод изменяется в широких пределах. В областях распространения вечной мерзлоты она может быть отрицательной (-4-6^оС), в районах деятельности молодых вулканов более 100^оС. Температура неглубоко замерзающих подземных вод обычно изменяется от 5^оС до 15^оС и обуславливается местными климатическими условиями.

По температуре подземные воды подразделяются на холодные (t^о менее 20^оС), тёплые (t^о – 20-37^оС), термальные (t^о – 37-42^оС), гипотермальные (очень горячие, t^о – 42-100^оС), перегретые (t^о – более 100^оС).

Плотность воды – масса воды, находящаяся в единице её объёма. Максимальная плотность воды при 4^оС. При охлаждении от 4^оС до 0^оС она расширяется, поэтому лёд легче воды, его плотность – 0,92 г/см³. Плотность пресной воды при 4^оС – 1 г/см³, морской воды – 1,03…1,08 г/см³.

Прозрачность воды – это способность воды пропускать световые лучи. Она зависит от содержания в ней механических примесей и органических веществ. Выделяют прозрачные воды, слегка мутные, мутные и очень мутные.

Цвет зависит от химического состава подземных вод. Химически чистая вода обладает небесно-голубым цветом. Болотные воды окрашены в жёлтый цвет от присутствия органических веществ. Закисные соли железа придают воде зеленовато-голубоватую окраску, полуторные окиси железа – ржаво-буроватую. Подземные воды в большинстве случаев не имеют запаха. Болотные воды, богатые гуминовыми веществами имеют особый болотный запах; застойная вода в колодцах имеет затхлый запах; присутствие в воде сероводорода придаёт ей запах тухлых яиц.

Вкус воде сообщают растворённые в ней минеральные вещества, газы, различные примеси. Ионы железа придают неприятный вкус, хлориды натрия – солёный, сернокислые соли натрия и магния – горький, органические вещества – сладковатый, ионы свободной углекислоты – приятный освежающий.

Подземные воды, содержащие природные радиоизотопы урана, радона и радия, называются радиоактивными. В гидрологии единица радиоактивности – эман/л. Эман/л равен 1*10¹⁰ Ки.

В подземных водах широко распространены ионы Cl^-, HCO₃^-, CO₃^2-, SO₄^2-, OH^-, F^-, NO₃^-, NO₂^-, Na⁺, K⁺, Ca²⁺, Mg²⁺, H⁺, NH₄⁺, Fe²⁺, Mn²⁺, Sr²⁺, Fe³⁺, Al³⁺, a также SiO₂, и микроэлементы J, Br, B, Cu, Pb, As, Ba, Cr. В коллоидном состоянии в воде присутствуют гидраты окиси железа и алюминия, кремнекислота и органические соединения. Эти вещества образуют неустойчивые коллоидные растворы (золи), которые выделяют коллоидно-растворённое вещество в виде геля. Они в растворённом состоянии выносятся из породы.

Кислород содержится в подземных водах в значительных количествах до 14 мг/л и расходуется на окисление различных органических соединений. Органические соединения, содержащиеся в воде, представляют собой неустойчивые химические соединения сложного состава (гуминовые кислоты). Перегнойные вещества с гигиенической точки безвредны, но придают воде жёлтый цвет, затхлый запах, сладковатый вкус. Наличие в подземных водах бактерий, возбудителей опасных заболеваний, указывает на загрязнение подземных вод.

Изменение содержания в подземной воде различных веществ происходит вследствие сложных химических и физико-химических процессов: растворения горных пород, их выщелачивания, обменной адсорбции между водой и поглощённым комплексом породы, внутригрунтового испарения капиллярной каймы грунтовых вод, микробиологических процессов, смешения вод. Изменение состава подземных вод под воздействием вышеперечисленных процессов называется метаморфизацией вод.

Подземные воды, протекая по разнообразным породам, взаимодействуют с окружающей средой и изменяют свои свойства. Происходит выщелачивание горных пород или включений в них и обогащение минеральными солями. Формирование химического состава связано также с условиями происхождения (морские, инфильтрационные, ювенильные и т. д.) и последующими процессами их изменяющими.

По количеству растворённых веществ подземные воды разнообразны почти от дистиллированных до рассолов полной насыщенности.

Общее содержание растворённых в подземных водах веществ называется общей минерализацией воды.

Подземные воды различаются по общей минерализации, жёсткости, содержанию анионов и катионов, содержанию отдельных газов.

Классификация подземных вод по общей минерализации, разработанная В.И. Вернадским, позволяет разделить их по общему плотному остатку солей следующим образом: пресные – до 1 г/л, слабосолоноватые – 1..3 г/л, сильносолоноватые – 3…10 г/л, солёные – 10…30 г/л, рассольные – более 35г/л. Для водоснабжения и орошения используются пресные и слабосолоноватые воды. Наилучшими питьевыми качествами обладают воды при рН=6,5-8,5.

В основу разделения подземных вод по химическому составу положено преобладание содержания того или иного иона. К преобладающим ионам относят те, содержание которых в воде превышает 25% от суммы мг-экв. анионов и катионов.

По классификации О.А. Алекина все природные воды делятся по преобладающему аниону на три класса: гидрокарбонатные (и карбонатные), сульфатные и хлоридные. Классы разделяются на три группы по обладающему катиону – кальцию, магнию и натрию (калию).

Каждая группа подразделяется на четыре типа, определяемые следующими соотношениями между катионами и анионами:

Первый тип: НСО₃^- > Са²⁺ + Мg²⁺ - пресные мягкие воды.

Второй тип НСО₃^-<Са²⁺+Мg²⁺<НСО₃^-+SО₄^2- – пресные и солоноватые, жёсткие воды.

Третий тип НСО₃^-+SО₄^2-< Са²⁺+Мg² - солёные агрессивные воды.

Четвёртый тип НСО₃^- = О – кислые воды.

Различные сочетания элементов определяют основные свойства подземных вод: щёлочность, солёность и жёсткость. Щёлочность определяется наличием бикарбонатов – Ca(HCO₃)₂, Mg(HCO₃)₂, NaHCO₃; жёсткость - Ca(HCO₃)₂, Mg(HCO₃)₂, CaSO₄, MgSO₄, CaCl₂, MgCl₂; солёность - CaSO₄, MgSO₄, CaCl₂, MgCl₂, Na₂SO₄, NaCl.

Вся природная вода минерализована. Однако минеральными водами часто называют такие, которые используются для лечебных целей и обладают определёнными физико-химическими свойствами, оказывающими особое физиологическое действие на человеческий организм.

Наиболее известные типы минеральных вод: 1) углекислые воды, сильно газированные углекислотой (холодные нарзаны, славяновская, воды Карловых Вар); 2) сероводородные или сульфидные (воды Мацесты,Талги на Кавказе, Сергиевские в Поволжье); 3) радиоактивные, содержащие эманацию радия и называются радоновыми, или соли радия и именуются радиевыми).

Формирование химического состава вод длительный физико-химический процесс преобразования подземных вод, происходящий на различных глубинах при неодинаковых температурах и давлении, испарении и конденсации, катионном обмене – адсорбции между водами и породами.

Происхождение и классификация подземных вод. Г.Н. Каменский три основных генетических цикла формирования:

1) инфильтрационный, или континентальный, обусловленный инфильтрацией атмосферных осадков и связанный с процессами выветривания; при этом цикле образуются инфильтрационные воды;

2) морской, или осадочный (седиментационно-диагенетический), обусловленный проникновением морских вод в толщи пород в процессе осадконакопления, процессами изменения осадков и видоизменения, заключённых в них вод; при этом образуются седиментационно-диагенетические воды;

3) метаморфический и магматический цикл, обусловленные метаморфизмом горных пород и магматическими процессами, протекающими в земной коре; при этом образуются магматические или эндогенные воды; кроме того, в природе образуются:

4) конденсационные воды, возникшие при конденсации водяных паров атмосферного и почвенного воздуха;

5) смешанные воды, образуются при смешении различных по происхождению вод.

Инфильтрационные воды образуются при инфильтрации атмосферных осадков, речных и других вод под действием сил гравитации по крупным порам и трещинам. На глубине они встречают водонепроницаемые слои горных пород. Вода задерживается и заполняет пустоты, при этом создаются горизонты подземных вод. Гидрологи считают, что на возобновление запаса подземных вод идёт от 10 до 30% общего годового количества атмосферных осадков. Накапливаются инфильтрационные воды в основном на небольших глубинах, в рыхлых отложениях, либо в породах, хорошо отмытых от хлоридов морского солевого комплекса. Грунтовые воды этого типа широко развиты в гумидных областях.

Седиментационные воды. Формирование их генетически связано с нормальными морскими водами или в различной степени засолёнными осадочными породами в зонах затруднённого водообмена. Пути накопления седиментационных вод весьма многообразны:

1) иловые воды, отжатые из свежих илов в раннюю стадию диагенеза при их уплотнении;

2) воды животных и растительных организмов, выделяющиеся при их разложении;

3) постседиментационные воды, выдавливаемые при уплотнении уже затвердевших пород, главным образом глин и глинистых сланцев.

По составу это солёные и рассольные бессульфатные воды с сухим остатком от 10 до 250…350 мг/л. В них содержатся Cl, J, Br, B, Li, Sr, Rb, органические вещества, газы биохимического происхождения. Они называются хлоридными. Седиментационные воды сохраняются в осадочных породах длительное геологическое время и влияют на засоление почв и грунтовых вод.

Магматические воды. В магматических очагах в магме содержится от 0,5 до 8.0 % воды, образующейся в глубине земли из паров воды, содержащихся в магме. Эти воды в течение длительного геологического времени постоянно пополняют воды земной коры. Их называют также ювенильными водами.

Конденсационные воды. По мнению А.Ф. Лебедева процессы конденсации играют определённую роль в образовании первых от поверхности горизонтов грунтовых вод, и поведение жидкой влаги зависит от действия сил тяжести, капиллярных и молекулярных сил.

В пустынях, возможным источником питания грунтовых вод, может являться только влага, образующаяся за счёт конденсации. Наиболее высокие отметки отмечены не под возвышенностями, а под их склонами, что объясняется накоплением влаги конденсационным путём, происходящим при определённой мощности приповерхностной толщи.

В приаральских и прикаспийских полупустынях происходит внутригрунтовое испарение, и пресные линзовые воды возникают на песчаных островах не за счёт конденсации атмосферной влаги, а за счёт испарения солёной воды. Во многих засушливых районах степей и полупустынь накопление грунтовых вод происходит под влиянием интенсивного испарения и процессов взаимодействия с засолёнными почвами, что обуславливает процессы рассоления и засоления почв.

Смешанные воды – это воды, имеющие несколько источников питания, например инфильтрацию и конденсацию.

Существует много классификаций подземных вод, но главных из них две: по характеру их использованию и по условиям залегания в земной коре, где учитывается также характер водовмещающих пород и гидравлические и гидродинамические признаки. В число первых хозяйственно-питьевые воды, технические, промышленные, минеральные, термальные. Для питьевой воды установлены гигиенические нормативы по содержанию сульфатов, хлоридов, наличию сухого остатка, общей жёсткости.

По условиям залегания подземные воды делят на почвенные, верховодку, грунтовые и артезианские.

Почвенные воды – влага, содержащаяся в почвенном слое. Передвигаются они под действием силы тяжести, молекулярных и капиллярных сил.

В зависимости от степени насыщения пор горных пород водой верхняя часть земной коры делится на две зоны: верхнюю - зону аэрации и нижнюю - зону насыщения.

В зоне аэрации выделяют три слоя почвенных вод:

1) почвенный горизонт переменной влажности – корнеобитаемый слой. В нём совершается обмен влагой между атмосферой, почвой и растениями;

2) подпочвенный горизонт;

3) горизонт капиллярной влаги – капиллярная кайма.

В породах и минералах различают следующие виды воды: связанная, свободная, вода в виде пара, вода в твёрдом состоянии.

Связанная вода подразделяется на химически и физически связанную.

Химически связанная вода содержится только в минералах и представлена конституционной, кристаллизационной и цеолитной. Конституционная вода находится в кристаллической решётке минерала. Она представлена гидроксильными группами (ОН^-) и с большим трудом выделяется из минерала при t 300…1000^оС.

Кристаллизационная вода входит в состав кристаллической решётки в виде молекул воды. Выделяется при t^о ниже 300^оС, при этом минерал разрушается и переходит в другой (гипс CaSO₄*2H₂O при t^о=107^о переходит в ангидрит CaSO₄).

Цеолитная вода – разновидность кристаллизационной, связанная с кристаллической решёткой менее прочно, удаляется из минерала постепенно, при этом минерал изменяет свои свойства.

Физически связанная вода бывает прочносвязанная (гигроскопическая) и рыхлосвязанная (плёночная).

Гигроскопической водой называются пары воды, поглощённые породой из воздуха; это вода увлажнения, механически примешенная к той или иной породе. Она не подчиняется силе тяжести, не передаёт гидростатического давления, не обладает растворяющей способностью, не замерзает до температуры –78^оС, недоступна растениям. При нагревании породы до 100…105^оС она полностью удаляется. Её содержание в песках менее 1%; в лёссах – до 8%; в глинах – до 18%.

Плёночная (рыхлосвязанная) вода образуется в породах при конденсации водяных паров. Она покрывает тонкой плёнкой (толщиной не свыше 0,001 см) поверхности отдельных частиц сверх слоя гигроскопической воды. Она не подчиняется силе тяжести, не передаёт гидростатического давления, не замерзает при температуре (-5^оС) – (-6^оС). Плёночная вода благоприятствует деятельности микроорганизмов, способствуя почвообразованию. Содержание её в песках до 2,7%, в глинах до 45%.

Свободная вода делится на капиллярную и гравитационную.

Капиллярная вода содержится в тонких порах и образует раздел между поясом аэрации и поясом насыщения. Пояс аэрации – поверхностный пояс в разрезе земной коры, находящийся на стыке атмо,- гидро- и литосфер, лежащий выше постоянного уровня грунтовых вод. Поры в нём заполнены воздухом. Ниже постоянного уровня грунтовых вод лежит второй пояс, пояс насыщения. В нём поры заполнены водой. В нижней части пояса аэрации капиллярные воды связаны с гравитационными и движутся под влиянием сил тяжести, способствуя подъёму грунтовых вод. Капиллярная вода является источником питания растений.

Свободная вода передвигается в горных породах под влиянием силы тяжести и выполняет большую механическую и химическую работу. Этот вид подземных вод имеет огромное значение для народного хозяйства.

Геологическая деятельность почвенных вод незначительна, однако агрономическое значение их огромно, поскольку они являются источником питания растительных и животных организмов.

Верховодка (почвогрунтовые воды) – это небольшие скопления воды, временного сезонного характера, находящиеся в гидравлической связи с почвенными водами и залегающие на невыдержанных водонепроницаемых или слабопроницаемых слоях, вблизи поверхности земли.

Водоупорами (или полуводоупорами) для верховодки могут быть линзы глин и суглинков в песке, прослойки более плотных пород, на которых при инфильтрации вода временно задерживается и образует сводообразные водоносные горизонты. Накопление верховодки происходит весной при обильном снеготаянии, или осенью в период обильных дождей. Кроме того, верховодка может образоваться даже при отсутствии в зоне аэрации каких-либо водоупорных пропластков, но при условии, если в толщу суглинков обильно поступает вода, а вследствие низкой водопроницаемости просачивание из верхней части толщи происходит замедленно.

Для верховодок характерен временный, чаще сезонный характер, небольшая площадь распространения, малая мощность и безнапорность. Чаще всего они возникают в суглинках, глинистой морене и лёссовых породах. Воды верховодки не имеют связи с реками, Уровень их крайне изменчив, при малом количестве осадков верховодка совсем исчезает.

Грунтовые воды – это постоянные во времени и значительные по площади распространения горизонты подземных вод, залегающие на первом от поверхности водоупоре. Они могут накапливаться как в рыхлых пористых антропогеновых и до антропогеновых породах, так и в трещиноватых твёрдых породах. Область питания грунтовых вод совпадает с областью их распространения. Грунтовые воды характеризуются рядом признаков:

1. Грунтовые воды имеют свободную поверхность, т.е. сверху они не перекрыты водоупорными слоями. Свободная поверхность грунтовых вод называется зеркалом (в разрезе уровень), положение которого в какой-то мере отвечает рельефу данной местности. Глубина залегания уровня грунтовых вод различна и может колебаться от 1 до 50 м и более.

Водоупор, на котором лежит водоносный слой, называют ложем (водонепроницаемая горная порода, подстилающая грунтовые воды), а расстояние от водоупора до уровня подземных вод – мощностью водоносного слоя. Порода, насыщенная водой, называется водоносным слоем, или водоносным горизонтом. Грунтовые воды по своим гидравлическим особенностям безнапорные воды, со свободной поверхностью, хотя иногда могут проявлять местный напор, связанный с залеганием линзы глины в уровне зеркала.

2. Питание грунтовых вод происходит в основном за счёт атмосферных осадков и частично при поступлении воды из поверхностных водоёмов и рек, конденсации водяных паров и внутригрунтового испарения, подтока (подпитывания) из более глубоких водоносных горизонтов. Территория, на которой происходит питание, ориентировочно совпадает с площадью распространения грунтовых вод, т.е. область питания совпадает с областью распространения. Грунтовая вода открыта для проникновения в неё поверхностных вод, что приводит к изменению её состава во времени и нередко к загрязнению различными вредными примесями.

3. Грунтовые воды находятся в непрерывном движении и, как правило, образуют потоки, которые, подчиняясь силе тяжести, направлены в сторону общего уклона водоупора, от водораздела к речным долинам, оврагам, рекам, морям и другим понижениям рельефа, где выходят в виде источников, образуя родники или создавая локальную по площади заболоченность, т.е. происходит их разгрузка или дренаж. Эти области называются областями разгрузки или областями дренирования Зеркало грунтовых вод редко бывает горизонтальным и копирует рельеф земной поверхности в пределах их расположения. В отдельных случаях грунтовые воды, заполняя неровности водоупорного ложа, образуют грунтовые бассейны с горизонтальной или почти горизонтальной поверхностью, т. е. вода находится в неподвижном состоянии. Часто наблюдается сочетание грунтового потока с грунтовым бассейном.

Грунтовые воды движутся по порам и нешироким трещинам в виде отдельных тонких струек, параллельных друг другу. Такой вид движения называется ламинарным. Скорость движения подземных вод зависит от водопроводимости горных пород и от уклона зеркала воды. Скорость движения грунтовых вод в сравнении со скоростью, течения рек относительна невелика. В мелкозернистых и однородных песках скорость движения воды 1-5 м/сутки. В крупнозернистых гравийных песках до 15-20 м/сутки, в галечниках и сильно трещиноватых закарстованных известняках до 100 м/сутки и более.

4. Количество, качество и глубина залегания грунтовых вод зависят от геологических условий местности и климатических факторов. Глубина залегания уровня, температура вод, минерализация, расход подвержены систематическим колебаниям, происходящим, как правило, ежесуточно, ежемесячно, в течение одного или нескольких лет. По степени минерализации воды преимущественно пресные, реже солоноватые и солёные, состав гидрокарбонатно-кальциевый, сульфатный и сульфатно-хлоридный.

Гидроизогипсы и гидроизопьезы. При вскрытии грунтовых вод колодцами или скважинами вода будет устанавливаться на том уровне, на каком она залегает в породе, без подъёма вверх. К зеркалу грунтовых вод примыкает капиллярная кайма, в которой поры породы лишь частично заполнены водой, поднимающейся по капиллярам.

Для выявления характера поверхности грунтовых вод составляют карты гидроизогипс. Гидроизогипсами называют линии, соединяющие точки с одинаковыми абсолютными или относительными отметками уровней грунтовых вод. Эти линии аналогичны горизонталям рельефа местности и подобно им отражают рельеф зеркала вод.

Карты гидроизогипс необходимы при решении задач, связанных с проектированием водозаборов, борьбой с подтоплением территорий и т.д. С помощью карты (совмещённой с топографической картой) можно выяснить направление и скорость движения грунтового потока в любой точке, определить глубину залегания грунтовых вод (по разности отметок горизонталей и гидроизогипс). Карта гидроизогипс позволяет установить характер связи грунтовых вод с поверхностными и источники их питания.

По гидравлическим и гидродинамическим признакам межпластовые подземные воды делятся на ненапорные со свободной водной поверхностью (грунтовые) и напорные (артезианские).

Межпластовые ненапорные воды встречаются сравнительно редко и отличаются от грунтовых вод тем, что они находятся между двумя выдержанными водоупорными пластами. Они связаны с горизонтально залегающими водоносными слоями, заполненными водой полностью или частично. Питание их происходит не на всей площади распространения водоносного слоя, а только в месте выхода потока на поверхность. Обычно такие воды развиты в условиях расчленённого рельефа и залегают выше базиса эрозии (местной гидрографической сети). Они не заполняют полностью водоносного слоя, не имеют соприкосновения с водонепроницаемой кровлей и характеризуются свободной ненапорной поверхностью. На береговых склонах оврагов и рек часто образуются источники или родники, особенно при наклонном расположении водоупорного ложа. Межпластовые воды являются проточными и по условиям передвижения аналогичны грунтовым нисходящим водам, подчиняющимся законам силы тяжести.

Артезианские подземные воды на территории России выделены в пределах платформ земной коры и горных районов. В пределах платформ расположены самые крупные артезианские бассейны, содержащие огромные естественные запасы подземных вод разной степени и характера минерализации. Артезианские бассейны горных областей менее крупны по площади, но водовмещающие породы (коренные горные породы и мощная толща песчано-галечниковых накоплений) водообильны. Несмотря на сравнительно небольшие размеры, эти бассейны отличает значительная глубина, поэтому запасы подземных вод велики, а роль их в водоснабжении существенна.

Напорные, или артезианские, межпластовые воды чаще всего встречаются при синклинальном и моноклинальном залегании горных пород. Водоносные слои в первом случае заключены между двумя пластами водонепроницаемых пород и изогнуты в виде чаши. Областью питания подземных вод в этом случае является места выхода водоносных слоёв на поверхность. При синклинальном залегании водоносных пластов создаются наиболее благоприятные условия для образования гидростатического напора. При моноклинальном (односклоновом) залегании водоносных пластов напорные воды образуются тогда, если они оказываются под гидростатическим напором, что происходит в условиях частой смены пород, т.е. при резком изменении водопроницаемости пластов или их выклинивании. Вода, поступившая из области питания в водопроницаемые породы, постепенно передвигается по падению слоя и наконец, достигает глин, не находя далее выхода. Происходит накопление её в водоносном слое, и она оказывается под гидростатическим давлением, и при вскрытии она обладает напором и поднимется до высоты области питания. Эти воды могут быть приурочены также к зонам тектонических нарушений и разломов.

Геологические структуры синклинального типа, содержащие один или несколько напорных водоносных горизонтов и занимающие значительные площади, называются артезианскими бассейнами (Московский артезианский бассейн, Днепровско-Донецкий или Северо-Украинский). При моноклинном залегании слоёв образуется артезианский склон.

В артезианских бассейнах выделяют три области: питания, напора и разгрузки. Выделение областей условно. В последнее время установлена возможность медленного перетекания воды из напорного водоносного пласта в ниже- и вышезалегающие водоносные горизонты через разделяющие их относительно водоупорные слои, поэтому области разгрузки напорных вод, так же как и питания (при перетекании воды из ниже- и вышезалегающих водоносных горизонтов), могут занимать различные участки по площади артезианского бассейна.

Разгрузка напорных вод возможна и искусственным путём через водозаборные скважины при их длительной эксплуатации. Работа водозабора усиливает процессы перетекания воды из одного водоносного горизонта в другой. Отдельные части водоносных слоёв подземных вод залегают на различных высотных отметках, что создаёт напор подземных вод. Напорных подземных горизонтов может быть несколько, и каждый из них имеет область питания там, где водоносные слои выходят на поверхность и имеют высокие отметки. Область питания, как правило, не совпадает с площадью распространения межпластовых вод.

Напорность вод характеризуется пьезометрическим уровнем. Высотное положение уровня связано с характером залегания водоносных слоёв. Он может быть выше поверхности земли или быть ниже её. Если пробурить скважину до водоносного слоя, то подземная вода поднимется на значительную высоту. В пониженных элементах рельефа она будет фонтанировать (т.е. изливаться на поверхность), на более высоких участках она может остановиться на какой-то глубине, т.е. она поднимется лишь до пьезометрического уровня. Плоскость, проходящая через области питания, определяет высоту напора воды, и этот уровень называется пьезометрическим уровнем, выше которого вода подняться не может.

Пьезометрический уровень выражают в абсолютных отметках по отношению к уровню моря, напор измеряется в метрах и представляет собой высоту столба воды от кровли водоносного горизонта до пьезометрического уровня.

Линии, соединяющие точки с одинаковыми отметками пьезометрического уровня, называются гидроизопьезами (или пьезогипсами). Совокупность таких линий составляют карту гидроизопьез, и строится она методом интерполяции отметок, т.е. аналогично карте гидроизогипс. Если напорных водоносных горизонтов несколько, для каждого их них на карте наносится своя система гидроизопьез.

С помощью карты гидроизопьез решают вопросы использования артезианских вод для водоснабжения, а также изучают условия формирования их потоков, определяют направление их движения, выделяют участки самоизлияния, устанавливают гидравлическую связь напорных вод с реками и т.д.

По характеру водовмещающих пород подземные воды делятся на поровые, трещинные, жильные, карстовые, трещинно-пластовые, порово-пластовые.

Поровые воды – воды, которые насыщают пористые породы - галечники, пески, слабо сцементированные песчаники, супеси, суглинки.

Трещинные воды – это подземные воды, циркулирующие в трещиноватых горных породах. Перемещаются они по системе взаимосвязанных трещин и образуют единую гидравлическую систему. В зависимости от условий залегания трещинные воды могут быть грунтовыми, межпластовыми, жильными.

Трещинно-грунтовые воды развиты в верхней трещиноватой зоне кристаллических массивов (до глубины 80…100 м). Питаются в основном за счёт атмосферных осадков, отличаются значительными колебаниями уровня подземных вод во времени, площадь их питания совпадает с площадью распространения. Водоупором служат монолитные нетрещиноватые скальные породы. Водообильность определяется условиями их питания и степенью трещиноватости горных пород. Расположены в зоне активного водообмена, поэтому они пресные, гидрокарбонатно-кальциевого состава.

Межпластовые трещинные воды циркулируют в артезианских бассейнах, водоносные горизонты которых представлены трещиноватыми горными породами.

Трещинно-жильные воды развиты локально, исключительно в зонах тектонических нарушений с крупными трещинами. Это линейно вытянутые узкие водные потоки (жилы), уходящие в глубину на несколько сот метров, поэтому они часто имеют повышенную температуру. Для них характерен напорный режим, значительная водообильность, нередко разгружаются на поверхности земли, образуя мощные родники, используемые для водоснабжения. Источником их питания являются трещинно-грунтовые воды.

Карстовые воды, или трещинно-карстовые – подземные воды, циркулирующие по трещинам и пустотам карстового происхождения.

Степень и характер закарстованности горных пород определяют основные черты карстовых вод (глубину развития, интенсивность движения, гидравлическое состояние, водообильность и т.д.). Карстовые воды отличаются от трещинных более интенсивным движением, особенно в верхней зоне закарстованных пород, непостоянством химического состава, резким изменением водообильности на сравнительно небольших расстояниях.

В районах многолетней мерзлоты подземные воды содержатся в толще многолетнемёрзлых пород. Они представлены надмерзлотными, межмерзлотными и подмерзлотными водами.

Надмерзлотные воды подразделяют на воды сезонно-талого слоя и воды надмерзлотных таликов речных долин и озёрных впадин. Подстилающим водоупором служит многолетнемёрзлая толща, пустоты, трещины, поры которой постоянно заполнены льдом. Надмерзлотные воды образуют безнапорные горизонты типа верховодки и грунтовых вод. Питание получают за счёт инфильтрации осадков, таяния снежников и ледников, и подпитывания в результате разгрузки подмерзлотных вод. Воды пресные, запасы их незначительные, санитарно-техническое состояние не всегда удовлетворительное. Надмерзлотные воды в зоне таликов обычно не промерзают, имеют постоянный сток, пресные, очень холодные (0,5-5^оС), используются для водоснабжения.

Межмерзлотные воды содержатся внутри толщи многолетней мерзлоты как в твёрдой, так и в жидкой фазе. В жидкой фазе они напорны. Распространены не повсеместно и залегают в пределах таликов преимущественно в долинах рек. Постоянная циркуляция, отчасти высокая минерализация, предохраняет их от замерзания. Гидравлически межмерзлотные воды связаны и с вышезалегающими надмерзлотными, и нижезалегающими подмерзлотными водами. Запасы их непостоянны и к концу зимы значительно сокращаются.

Подмерзлотные воды циркулируют ниже многолетнемерзлотной толщи, поэтому встречаются только в жидкой фазе. Воды напорны, по условиям циркуляции аналогичны напорным водам в районах с умеренным климатом. Запасы их значительны, водообильность высокая, особенно карстовых подмерзлотных вод, минерализация пёстрая (от пресных до рассолов), используются для водоснабжения.

При выходе подземных вод на поверхность образуется естественный источник (ключ, родник, криница). Источники, питаемые верховодкой и грунтовыми водами, называются нисходящими, а источники, питаемые напорными водами, называются восходящими.

Режим грунтовых вод – это изменение их уровня, химического состава, температуры и расхода. В естественных условиях для подземных вод характерен ненарушенный (естественный) режим, который формируется в основном под влиянием метеорологических, гидрологических и геологических факторов. Режим грунтовых вод – инфильтрация и боковой приток, отток и испарение, а также баланс, условия формирования и стока – тесно связаны с современным климатом, рельефом и поверхностными водами. Одним из основных ведущих факторов, нарушающим режим грунтовых вод, являются метеорологические условия (осадки, температура воздуха, испарение, атмосферное давление) и особенно количество атмосферных осадков.

Они вызывают сезонные и годовые колебания уровня, изменение химизма, температуры и расхода грунтовых вод. Наибольшие колебания уровней приходятся на периоды снеготаяния (весенний максимум) и осенних дождей (осенний максимум). Минимум колебаний уровня отмечается в конце лета – в начале осени и в конце зимы. Разность между наивысшим и наинизшим горизонтом подземных вод называют максимальной амплитудой колебаний.

Обычно амплитуда сезонных колебаний грунтовых вод не превышает 2,5…3,0 м, а максимальные составляют 10…15 м. Уровень грунтовых вод колеблется не только по сезонам, но и в многолетнем цикле, что связано с ритмическими изменениями климата и приурочены к различным циклам, среди которых наиболее чётко фиксируется 11-летний цикл. Амплитуды многолетних колебаний не превышают амплитуд сезонных.

Гидрологический режим рек влияет на положение уровней подземных вод и их химизм в полосе шириной от 0,2-0,5 км до 2-6 км. Колебания уровня подземных вод в речной долине с некоторым отставанием отражают колебания уровня реки.

Геологические факторы действуют на любом участке земной коры. Выделяют медленнодействующие геологические факторы (тектонические движения, внутренняя теплота земного шара и др.) и эпизодические (землетрясения, вулканизм, оползни, грязевые вулканы).

В районах тектонических поднятий уровень подземных вод понижается, при опускании местности – повышается. Изменяется химизм воды. При землетрясениях появляются новые источники и исчезают старые, изменяется термический режим, химический и газовый состав подземных вод. Вулканические явления изменяют температуру, химизм и уровень подземных вод.

Режим артезианских, карстовых и надмерзлотных вод в естественном состоянии существенно отличается от режима грунтовых вод. Уровень и химический состав артезианских вод менее подвержен изменениям, чем грунтовых. Резкой изменчивостью уровня, химизма и расхода отличаются карстовые воды. Неустойчив режим надмерзлотных вод, что связано с интенсивностью промерзания и оттаивания мёрзлых грунтов.

Запасы подземных вод – это количество (объём) свободной воды, содержащейся в водоносных слоях. Оценка запасов имеет важное значение для водоснабжения. Все вопросы, связанные с использованием подземных вод для нужд водоснабжения, решаются на основе подсчитанных запасов.

Запасы подземных вод подразделяют на естественные и эксплуатационные.

Естественные запасы подземных вод – это объём гравитационной воды, который содержится в водоносных горизонтах в естественных условиях (в статистическом состоянии или в движении). Естественные запасы слагаются из статических, упругих и динамических.

Статические и упругие запасы характеризуют объём гравитационной воды в порах и трещинах водоносных пород в м³. Упругие запасы – это количество воды, которое может быть извлечено из напорного водоносного пласта без его осушения за счёт упругих свойств воды и горных пород при понижении уровня.

Под динамическими запасами (или естественными ресурсами) понимают расход подземных вод (м³/сут), протекающих через водоносный пласт. Эти запасы в процессе круговорота воды на Земле постоянно возобновляются. Роль их значительна.

Эксплуатационные запасы подземных вод – это количество подземных вод, которое может быть получено в единицу времени из водоносного горизонта рациональными в технико-экономическом отношении водозаборами без снижения дебита и ухудшения качества воды в течение всего расчётного срока водопотребления.

Подземные воды России, исходя из соотношения количества атмосферных осадков и испарения, а также оттока вод, делятся на две основные зоны: грунтовые воды выщелачивания и грунтовые воды континентального засоления.

Зональность подземных вод. Грунтовые воды имеют практически повсеместное распространение. В площадном распределении грунтовых вод имеет определённая зональность. Выделяют следующие четыре зоны.

Грунтовые воды речных долин. Глубина залегания изменяется от 1см до 15 м. Вода залегает в аллювиальных отложениях, слабо минерализована, широко используется для водоснабжения.

Грунтовые воды ледниковых отложений. На европейской территории России ледниковые отложения представлены разнообразными обломочными породами, среди которых много водоносных слоёв. Вода обильная, слабо минерализованная, широко используется для водоснабжения.

Грунтовые воды полупустынь и пустынь. Это районы с малым количеством атмосферных осадков (до 200 мм в год) и значительным испарением. Воды обычно мало, залегает она глубоко и имеет высокую минерализацию.

Грунтовые воды горных областей. В этих районах выпадает много атмосферных осадков, часть которых проникает в выветрелые и трещиноватые породы. Наибольшее количество грунтовых вод хорошего качества скапливается в отложениях предгорных наклонных равнин. Эта вода широко используется для водоснабжения.

Среди зональных располагаются незональные грунтовые воды, например, болотные, карстовые и др. Большими аккумуляторами атмосферных осадков, паводковых и других вод являются болота. Уровень грунтовых вод в болотах всегда совпадает с поверхностью земли, что собственно и обуславливает заболоченность местности.

Зональность грунтовых вод – это закономерное изменение в горизонтальном направлении глубин залегания, количества и качества грунтовых вод в связи с зональностью климата и ландшафта. Выделяют зональные воды,

Первая схема зональности грунтовых вод европейской части территории России предложена В.С. Ильиным, выделившим зональные воды, связанные с горизонтальной климатической зональностью, и азональные, не связанные с горизонтальной климатической зональностью (грунтовые воды речных долин, трещинные и карстовые воды, воды солончаков, болот и орошаемых массивов). Выделяют следующие виды зональности грунтовых вод климатическую, гидродинамическую и зональность питания.

Климатическая зональность выражается в увеличении минерализации и глубины залегания грунтовых вод с переходом от области достаточного увлажнения к области незначительного увлажнения. В области достаточного увлажнения формируются пресные воды, в области незначительного увлажнения – более минерализованные, так называемые воды грунтового выщелачивания. Грунтовые воды зоны выщелачивания формируются под влиянием растворения и интенсивного химического выноса вещества в процессе выветривания горных пород. Общая минерализация этих вод колеблется от нескольких мг/л на севере до 1000 мг/л и более на юге. Преимущественно это пресные гидрокарбонатно-кальциевые (в тундре – гидрокарбонатно-кремнезёмные) воды. Распространены в районах избыточного увлажнения (тундра, тайга, лесостепь), с преобладанием подземного стока над испарением. Воды этого типа встречаются в горных условиях, где интенсивная трещиноватость скальных пород и рельеф способствуют подземному стоку и развитию процессов выщелачивания.

Гидродинамическая зональность, или зональность подземного оттока, проявляется в последовательном повышении минерализации и уменьшении глубины залегания подземных вод по мере ухудшения естественной дренированности территории. В зависимости от степени подземного оттока выделяют пять зон естественной дренированности, которые называют гидродинамическими: интенсивно дренированная, дренированная, слабодренированная, весьма слабодренированная, бессточная (практически не дренированная).

Минерализация грунтовых вод увеличивается от первой зоны к пятой в связи с изменением соотношения подземного оттока грунтовых вод и расхода их на испарение и транспирацию. Наибольшей минерализацией характеризуются бассейны грунтовых вод в пустынях. Это так называемые грунтовые воды континентального засоления, развиты на территории сухих степей и полупустынь, где испарение преобладает над осадками, благоприятные условия для подземного стока отсутствуют. Воды солоноватые и солёные, по химическому составу – сульфатные, сульфатно-хлоридные и хлоридные. Засолению вод способствует развитие на этих территориях засолённых морских осадков и засолённых почв.

Гидродинамические зоны грунтовых вод, определяемые рельефом и геологическим строением, тесно связаны с геоструктурными условиями территории. Последовательная смена зон чётко выражена в предгорных областях, где по мере удаления от гор к низменным равнинам наблюдается постепенное ухудшение дренированности и, в связи с этим, нарастание минерализации.

Зональность питания грунтовых вод наиболее отчётливо проявляется в зонах низкой дренированности аридных областей. Она заключается в последовательном увеличении минерализации грунтовых вод с удалением от источника питания реки, канала и т.д.

На схеме зональности грунтовых вод России (по Д.М. Кацу) выделено две провинции:

- провинция широтно-зональных грунтовых вод материковых платформ (с подпровинциями таёжной, лесной, лесостепной, степной, полупустынной и пустынной) характеризуется небольшой мощностью четвертичных, в основном песчано-глинистых, отложений, где заключены безнапорные воды; минерализация увеличивается от степной подпровинции к пустынной;

- провинция широтно- и вертикально- зональных грунтовых вод предгорных и межгорных прогибов и впадин, характеризуется большей мощностью четвертичных отложений и наличием в их составе гравийно-галечниковых пород.

Кроме зональных грунтовых вод Кац Д.М. выделил азональные грунтовые воды, химический состав которых не подчиняется климатической и гидродинамической зональности. К азональным отнесены воды районов современного и древнего морского засоления пород; выветривания соленосных дочетвертичных пород; подпитывания грунтовых вод солёными напорными водами; грязевых вулканов; солевых куполов.

При своём движении подземные воды производят значительную работу химического растворения, механического переноса и переотложения вещества. Немалую механическую работу выполняют подземные воды при выходе на поверхность. Вся геологическая деятельность подземных вод проявляется в виде карстов, суффозий, оползней, грязевом вулканизме.

Под карстом следует понимать процесс выщелачивания (растворения) растворимых трещиноватых горных пород движущимися подземными и поверхностными водами, которые вызывают образование специфических и разнообразных замкнутых впадин на поверхности Земли, пещер и каналов в глубине. (Карст-название известнякового плато карста близ Триеста - берег Адриатического моря). К растворимым породам относятся: каменная соль, гипс, мергель, ангидрит, известняк, доломит, в которых наблюдается развитие интенсивных карстовых процессов

Подземные воды всегда обогащены растворимыми солями и газами, что увеличивает растворимость горных пород, особенно при наличии углекислоты. Растворимость известняков и доломитов при содержании углекислоты увеличивается в 5-6 раз, а наличие NаСl в водах увеличивает растворимость гипса в 2,5-3,5 раза.

Одной из форм карстового рельефа, развивающихся на поверхности горных пород, являются карры. Они представляют собой различные углубления, напоминающие глубокие бороздки, небольшие канавки, щели, дыры глубиной от нескольких сантиметров до 1-2 метров. Карры иногда покрывают обширные площади, превращая их в неудобообрабатываемую и даже труднопроходимую местность называемую карровыми полями.

Известняки, как правило, разбиты системами трещин и стекающая по их поверхности вода уходит по этим трещинам под землю. Обычно легче всего происходит поглощение воды в местах пересечения двух наклонных трещин, здесь постепенно разрабатывается расширенный ход.

Вертикальные отверстия, поглощающие поверхностную воду, называются понорами. Образовавшиеся ложбинки растут в глубину и ширину и постепенно превращаются в водосборные каналы.

Ниши - образуются на выходах растворимых горных пород при выщелачивании их подземными волами, а также вследствие процессов выветривания.

Воронки – наиболее распространённые карстовые формы диаметром от 1 до 50 м и до 100 метров. Глубина 15-20 м. На дне воронки наблюдаются отверстия – поноры. Образуются при растворении пород, а также при обрушении кровли над существующими карстовыми полостями. Линейное расположение воронок может привести к образованию карстово-эрозионных оврагов.

Карстовые котловины и полья – более сложные и крупные карстовые формы, достигающие значительных размеров. Они образуются 1) путём расширения и слияния многих карстовых воронок; 2) путём обрушения кровли над крупными карстовыми полостями. Они часто бывают предопределены тектоническими процессами и в их выработке, помимо растворяющей деятельности воды, принимает участие и размыв. На днищах котловин и польев наблюдаются местами воронки с понорами. Высота стенок над днищами достигает десятков и сотен метров. Развиты в Крыму, на Кавказе, Югославии.

Исчезающие реки и озёра – летом, когда реки бедны водой, она поглощается порами и на некотором расстоянии их русла остаются сухими, а затем дальше они опять появляются на поверхности (Дунай, в Крыму р. Суук-Су). Ряд озёр, на дне которых находятся карстовые воронки и поноры, периодически исчезают вследствие поглощения воды и увода её в глубину (Онежско-Белозерский водораздел, в Ивановской, Ленинградской, Горьковской и других областях).

Наряду с образованием поверхностных карстовых форм в глубине карстового массива различаются разнообразные каналы. Здесь выделяются вертикальные, трубчатые и коленчатые каналы и горизонтальные каналы или пещеры.

Пещеры представляют собой или систему горизонтальных каналов или неправильно ветвящихся, соединённых узкими ходами или образующих огромные залы или гроты. На дне карстовых пещер наблюдаются водотоки или небольшие озёра. На дне пещер местами накапливаются рыхлые отложения, падающие в результате обвалов со сводов.

При просачивании поверхностных вод в пещеру образуются своеобразные натёчные образования кальцита - сталактиты (свешивающиеся с потолка) и сталагмиты (поднимающие от пола).

Если карстовый массив прорезается рекой, то зеркало грунтовых карстовых вод всегда связано с горизонтом воды в реке. Выход пещер обычно располагается на склонах близ горизонта воды в реке. При понижении базиса эрозии река занимает более низкое положение, соответственно понижается и уровень грунтовых карстовых вод.

Наряду с растворением подземные воды способны выносить из горных пород частички чисто механическим путём. Подобный процесс получил название суффозии. Подобный процесс проявляется при выходах источников, особенно восходящих, когда происходит вынос песка и глины из водоносного горизонта. При этом объём слагающей породы постепенно уменьшается, происходит просадка и обрушение части склона, расположенной над источником. Осевшая порода размокает и уносится водой, а над источником в склоне образуется выемка с крутыми склонами – суффозный цирк.

Суффозия на выходах подземных вод является одним из существенных факторов, способствующих возникновению оползней.

Суффозия проявляется и в других формах. Воды, проникающие из песчаных и песчано-глинистых толщ в подстилающие закарстованные известняки, выносят с собой в карстовые полости много песка и глины. Особенно интенсивен этот вынос при прорыве водоносного горизонта, насыщающего пески, в карстовые пустоты подстилающего известняка. При этом песок как бы засасывается вниз в разжиженном виде и на поверхности земли внезапно образуется провал.

Карстово-суффозионные провалы, медленно развивающиеся карстово-суффозионные воронки явление не редкое.

Суффозия является так же основой лёссового и глинистого карста. Внешне они напоминают настоящий карст, так как на поверхности образуются провалы, колодцы, воронки, а под землёй – система ходов. Однако все эти формы возникают в нерастворимых породах.

Лёссовый и глинистый карст типичен для областей с сухим, полупустынным и пустынным климатом и представляет собой процесс чисто поверхностный, охватывающий толщу пород на глубине. Он сводится к выносу мелких частиц водой, просачивающейся через трещины сухого лёсса или глины.

Оползнями называют крупные смещения рыхлых земляных песчано-глинистых пород по склону, захватывающие различные горные породы, слагающие склон и распространяющиеся на большую глубину, происходящие под влиянием смачивания и увлажнение их поверхностными и подземными водами.

Мелкие смещения, захватывающие только поверхностную часть склона, почвенный слой и часть подстилающей выветрившейся породы, которые под влиянием сильного переувлажнения начинают медленно передвигаться вниз, называются омывинами или сплывами.

Внезапные обрушения огромных масс горных пород, сопровождающиеся опрокидыванием сорвавшегося массива и его дроблением, называется обвалом.

Влияние глубины залегания грунтовых вод на лесорастительные свойства зависит от степени увлажнения района. В северных районах, где грунтовые воды расположены очень близко к поверхности, наблюдается снижение производительности лесов из-за постоянного избыточного увлажнения. В центральной части лесной зоны, где грунтовые воды залегают на глубине 2-3 м, значительно повышается продуктивность насаждений. В лесостепной зоне на тяжело- и среднесуглинистых почвах при глубине залегания грунтовых вод 8-10 м складываются самые лучшие условия для роста дуба, липы, клёна.

В благоприятных климатических условиях для данной древесной породы её продуктивность зависит исключительно от почвенных условий, одним из которых являются глубина залегания и характер грунтовых вод.

Степень увлажнения является ведущим фактором в формировании различных типов леса. При приближении к ризосфере уровня грунтовых вод производительность насаждений возрастает. Чем ближе находятся грунтовые воды к поверхности почвы, тем большее количество корней их достигает, тем лучше обеспечено водоснабжение древесных растений, особенно сосняков. При высоком уровне грунтовых вод, когда в весенний период они, поднимаясь по капиллярам, достигают поверхности почвы, корни испытывают угнетение от недостатка воздуха. В этом случае увлажнение и аэрация вступают в антагонизм и влага становится косвенным ограничителем производительности леса, сохраняя одновременно и своё прямое влияние на лес (водоснабжение корешков). Влияние нарастающего увлажнения становится подавляющим, и это вызывает резкие качественные изменения в лесорастительном эффекте. Качественные преобразования сопровождаются в дальнейшем количественными изменениями. Если от сухого бора до влажного (А₁ – А₂) шло увеличение производительности, то в условиях влажного сырого бора и болота (А₃ – А₅) производительность падает.

Главной причиной падения бонитета и других изменений в ряду А₃ – А₅ выступает нарастающий почвенный анаэробиозис, который целиком подчиняется фактору увлажнения.

В лесных насаждениях в зависимости от степени увлажнения формируются различные типы почв (гидроморфные ряды), устанавливаются опосредованно сложные связи между составом надземной фауны и увлажнением (т.е. уровнем грунтовых вод).

Уровень залегания грунтовых вод оказывает значительное влияние на почвообразовательные процессы. При близком уровне грунтовых вод образуются более влажные и заболоченные почвы, которые богаче органическим веществом, имеют более высокую ёмкость поглощения и степень насыщенности основаниями, но малое количество и слабую активность микрофлоры. В этих условиях развивается болотный процесс почвообразования. При глубоком залегании грунтовых вод, но доступном для корней древесных пород, развивается дерново-подзолистый процесс, направленность которого зависит от состава растительности.

Под лесом на поверхности почвы образуется лесная подстилка, роль которой в сохранении осадков очень велика. При обильных дождях на открытых участках образуются большие потоки воды, стекающие по поверхности в пониженные элементы рельефа. В лесу поверхностного стока практически не наблюдается, так как выпадающие осадки частично поглощаются лесной подстилкой и, соответственно, верхними горизонтами почвы, и в большей степени просачиваются в грунтовые воды. Таким образом, лес удерживает влагу атмосферных осадков, предохраняет её от испарения, тем самым способствует питанию грунтовых вод, увеличению их запаса, препятствует стоку и потере влаги.

Контрольные вопросы

1. Что изучает гидрогеология? 2. По каким признакам классифицируются подземные воды? 3. Расскажите о происхождении подземных вод. 4. Какие требования предъявляют к подземным водам? 5. Охарактеризуйте верховодку и грунтовые воды. 6. Какие виды зональности грунтовых вод вы знаете? 7. Что такое запасы и режимы грунтовых вод? 8. Расскажите о химическом составе грунтовых вод. 9. Как отображается уровень грунтовых вод на картах? 10. В чём заключается геологическая деятельность подземных вод? 11. Какое влияние оказывают грунтовые воды на процессы почвообразования и какова их роль в жизни леса? 12. Как влияет лес на деятельность грунтовых вод?

Литература:

1 В.Д. Зеликов Почвоведение с основами геологии: Учебное пособие. – М.: МГУЛ, 1999.- С. 34-38..

2. Инженерная геология: Уч. для вузов/ В.П. Ананьев, А.Д. Потапов. -М.: «Высшая школа», 2000. – С. 248-296. С. 367-381.

3. Толстой М.П. Геология с основами минералогии. — М.: «Высшая школа» 1991. – С. 262-286.

Содержание

1. Основы гидрогеологии.

2. Состав и свойства подземных вод.

3. Происхождение и классификация подземных вод.

4. Зональность распределения и химизм подземных вод, их режимы.

5. Гидроизогипсы и гидроизопьезы.

6. Суффозия и карст.

7. Роль почвенно-грунтовых вод в жизни леса и влияние леса и лесозащитных насаждений на их запасы и деятельность.

Дата добавления: 2014-01-03