ПРОИСХОЖДЕНИЕ И КЛАССИФИКАЦИЯ ПОДЗЕМНЫХ ВОД
§ 3. КРУГОВОРОТ ВОДЫ В ПРИРОДЕ
Вода в природе встречается в трех состояниях: парообразном, жидком и твердом. Переход воды из одного состояния в другое происходит под влиянием солнечного тепла, а также жизнедеятельности растений и других факторов. В атмосфере вода содержится в виде пара, в капельно-жидком (облака и туман) и твердом состоянии (ледяные кристаллы, град, снег). В среднем в атмосфере содержится около 14 000 км3 воды, преимущественно в виде пара. Но благодаря постоянному пополнению атмосферной влаги за счет испарения на поверхность земли ежегодно выпадает около 520 тыс. км3 осадков. На поверхности земли вода в жидком состоянии скапливается в океанах, морях, озерах, болотах, реках, а также находится в виде ледников и снега, образуя гидросферу; основная масса воды гидросферы составляет Мировой океан — около 1370 млн. км3. В водах Мирового океана в колоссальных количествах в растворенном виде находятся почти все элементы таблицы Менделеева, например: золота около 10 млрд. т, серебра около 200 млрд. т, молибдена около 300 млрд. т и т, д. (данные Л. А. Зенкевича). Морская вода содержит примерно 10 т тяжелой воды. Теоретически запасов тяжелой воды как источника ядерной энергии хватит человечеству на миллиарды лет. В земной коре — литосфере — вода содержится в виде парообразной, физически связанной, жидкой, химически связанной (цеолитная, кристаллизационная и конституционная) и в твердом состоянии. Вода, находящаяся во всех живых организмах и растениях, образует биосферу. Воды атмосферы, гидросферы, верхней части литосферы и биосферы находятся в самой тесной связи между собой. Испаряясь с поверхности океанов, озер, других водоемов и с суши, а также превращаясь в парообразное состояние в результате жизнедеятельности организмов, вода переходит в атмосферу, а из атмосферы вновь выпадает на поверхность земли в виде дождя, града, снега и других осадков, составляя звенья общего круговорота воды на земле, одного из самых грандиозных транспортных процессов. Это один из главных механизмов, обусловливающих формирование поверхности земли, обмен веществ и энергии. Испарение — процесс превращения воды из жидкого состояния в парообразное под влиянием температуры. В атмосферу парообразная влага поступает путем испарения с поверхности океанов, морей, озер, болот, влажной почвы и листьев растений. Подземные воды могут испаряться лишь на тех участках, где высота капиллярного поднятия достигает дневной поверхности. Особым видом испарения является образование парообразной влаги в результате жизнедеятельности растений (травиной и древесной) -тринспирации. Испарение па суше зависит от многих факторов: от температуры, атмосферного давления, скорости движения ветра, дефицита влажности воздуха, количества осадков, характера растительного покрова, характера пород и почвы, рельефа, экспозиции места, близости уровня подземных вод и т. п. Чем выше температура местности и скорость движения ветра, тем при прочих равных условиях больше испарение; чем более влажен воздух, тем меньше испарение; чем более водопроницаемы породы и почвы, тем меньше испарение; со склонов южной экспозиции влаги испаряется больше; чем ближе к поверхности земли уровень грунтовых вод, тем больше испаряется влаги, поднимающейся по капиллярам в породах. Испарение имеет существенное значение при решении вопросов осушения, орошения, при гидрогеологических исследованиях и т. п. Атмосферные осадки. Как указывалось, вода в атмосфере содержится в виде водяного пара и в других состояниях. В совершенно чистом воздухе сжижение водяных паров не происходит даже при охлаждении воздуха до точки росы и ниже. Для образования капелек воды, из которых состоят облака и туман, необходимо наличие в воздухе ядер конденсации, на поверхности которых и происходит сжижение водяного пара. В нижних слоях атмосферы содержатся многочисленные мелкие твердые частички (пыль, дым, растительные споры и т. п.), обладающие гигроскопичностью или химическим сродством с водой, которые и являются ядрами конденсации. Атмосферные осадки подразделяются на два типа: 1) осадки, образующиеся непосредственно на поверхности земли и наземных предметах вследствие понижения температуры воздуха до точки росы (роса, иней, изморозь и пр.); 2) осадки, выпадающие на поверхность земли из облаков (дождь, град, снег, крупа). Количество осадков измеряется толщиной слоя воды в миллиметрах, который установился бы при отсутствии стока и испарения. Интенсивность осадков — количество осадков, выпавших за I мин. Осадки с интенсивностью больше 0,5—1 мм/мин называются ливнями. В пределах РФ атмосферные осадки выпадают крайне неравномерно по сезонам и по отдельным районам. В европейской части летом осадков выпадает больше, чем зимой, а в Средней Азии летом —очень мало, а в иные годы равно нулю. Наибольшее количество осадков выпадает на Черноморском побережье Кавказа от Сочи до Батуми (1200—2870 мм в год). Максимальное количество осадков в РФ выпадает в Аджарии (3836 мм) и в Сванетии (до 5000 мм). В средней полосе европейской части РФ осадков выпадает 400—600 мм, в северных районах — 100—300 мм, в Прикаспийском районе — 150—200 мм в год. Атмосферные осадки имеют решающее значение в питании подземных вод. При определении роли атмосферных осадков в питании подземных вод необходимо учитывать не только абсолютное количество осадков, но и их продолжительность, интенсивность, вид (жидкие, твердые), время выпадения, а также общие климатические, физико-географические и геологические условия изучаемой территории. Количество выпадающих атмосферных осадков измеряется дождемерами, или осадкомерами, конструкция которых и методика работы с ними описываются в специальных руководствах по климатологии. Поверхностный и подземный сток. Под стоком понимают ту часть атмосферных осадков и выходящих на поверхность подземных вод, которая реками выносится в моря и океаны. Поверхностный сток является одним из важнейших элементов круговорота воды в природе. Количество воды, идущей на поверхностный сток, зависит от ряда факторов: климата, вида осадков, рельефа местности, водопроницаемости горных пород, искусственных факторов (создание водохранилищ на реках, оросительных систем, полезащитных лесных полос и т. п.). Главным фактором стока являются климатические условия. Чем больше выпадает атмосферных осадков и чем меньше испарение, тем больше сток. В засушливых районах (юго-восток европейской части СССР и Средняя Азия), где осадков выпадает очень мало, многие реки летом не имеют стока, пересыхают. Водопроницаемость пород существенно сказывается на стоке. Чем больше атмосферных осадков просачивается, превращаясь в подземные воды, тем меньше поверхностный сток. Подземные воды питают реки в результате дренирования водоносных горизонтов, когда склоны речных долин их пересекают. Равнинные реки СССР весной, летом и осенью питаются одновременно за счет дождей и подземных вод, а зимой и в период засухи — почти исключительно за счет подземных вод. Количественно величина стока характеризуется коэффициентом стока и модулем стока, которые определяются обычно для площади всего бассейна реки в ее устье либо для любого другого участка реки. Для определения величины стока необходимо знать расход реки. Под расходом реки понимается количество воды, протекающее в единицу времени через поперечное сечение живого потока воды. Чтобы определить расход воды в том или ином сечении, необходимо знать среднюю скорость движения воды в реке V (в м/сек) и площадь водного потока Р (м2). Тогда расход реки Q=VF , м3/сек. (1) Методика определения расхода реки подробно излагается в курсах гидрометрии. Коэффициент стока — отношение количества воды, стекающей c определенной площади водосборного бассейна за определенный период, к количеству выпавших осадков за тот же период в бассейне реки
где -коэффициент стока, %; h – количество стекающей воды, мм водяного слоя; х— количество осадков, мм. Модуль стока (М) — количество воды (Q), стекающей в единицу времени с 1 км2 водосборной площади бассейна реки (F): М=
(3) Общий модуль стока включает в себя модули поверхностного и подземного стока. Максимальный модуль стока на равнинных реках РФ наблюдается в весеннее время, в период паводков, минимальный—зимой, когда реки питаются почти исключительно за счет подземных вод. В гидрогеологии важно знать величину подземного стока на том или ином участке реки. Существуют многочисленные способы определения величины подземного стока, описываемые в специальной литературе [18]. Модуль подземного стока является надежным показателем при оценке водоносности горных пород, распространенных на площади водосборного бассейна реки, и используется при гидрогеологических расчетах.
ПРОИСХОЖДЕНИЕ ПОДЗЕМНЫХ ВОД
Подземные воды образуются большей частью путем инфильтрации атмосферных осадков, а частично путем конденсации из воздуха, при понижении температуры воздуха, находящегося в порах пород, до точки росы. Часть подземных вод, будучи захороненном в порах осадочных толщ, образуется одновременно с осаждением терригенных материалов на дне водоемов; эти воды называются седиментационными. Первоначально, по мнению большинства исследователей, вода па земле образовалась из магмы; в процессе ее охлаждения и кристаллизации наряду с твердыми и газообразными компонентами выделялась также вода в виде пара, конденсировавшегося затем и жидкое состояние. И в настоящее время при вулканических извержениях в составе летучих преобладает вода в парообразном состоянии. Подземная вода, образующаяся из магмы, называется ювенильной. В круговороте воды на земле наиболее активно участвуют воды инфильтрацнонного и в меньшей мере конденсационного происхождения; седиментационные воды, входящие в состав древних осадочных толщ, могут включаться в общий круговорот в результате геологических процессов (сжатия в складки, разрушения вышележащих толщ, образования трещин и т. п.) и время их круговорота измеряется геологическими масштабами времени. Еще меньше доля участия в общем круговороте ювенильных вод. В местах залегания месторождений полезных ископаемых подземные воды образуются преимущественно путем инфильтрации. Об этом свидетельствует наблюдаемое почти во всех шахтах и рудниках увеличение притоков воды в горные выработки в весеннее время, и после выпадения дождей, хотя и с некоторым запаздыванием.