Почвенные воды

Почвенные воды, как уже было указа­но, представляют воды, залегающие у дневной поверхно­сти. Они не имеют непосредственно под собой водоупорного ложа и в этом отношении являются как бы водами под­вешенными. Наличие подобных вод можно представить себе следующим образом. На какой-нибудь поверхности в течение года выпало некоторое количество осадков, например 536 мм (Москва). Часть этих осадков испарилась, другая стекла по неровностям рельефа и третья (допустим, около 25%, т. е. 134 мм) просочилась в землю. Если при­нять пористость сухой земли в данном месте равной около 30%, то просочившаяся вода смочит землю на глубину не более 60 см и дальше вглубь в жидком состоянии не продвинется в силу влагоемкости земли. Таким образом эта вода окажется как бы во взвешенном состоянии в порах породы и будет существовать до тех пор, пока вследствие испарения, транспирации или передвижения вглубь в паро­образном состоянии она не иссякнет. Гравитационная вода здесь бывает нормально только в периоды избыточного увлажнения: в периоды снеготаяния, обложных дождей, разливов рек в поймах и пр.

Иногда почвенные воды определяют как воды, залегаю­щие в той части почвы, которая занята корневыми система­ми травянистых и кустарниковых растений, или же как воды, приуроченные к зоне зимнего промерзания. И то и другое определение не вполне удовлетворительно, особен­но второе. При продвижении с севера на юг мы попадаем в область, где промерзание отсутствует, и, таким образом, в этих областях как будто бы невозможно наличие почвен­ных вод, тогда как на самом деле они там фактически существуют.

Почвенные воды отличаются сезонным характером (чрезвычайно резко зависят от гидрометеорологических фак­торов), резкими колебаниями их температуры (зимой они могут замерзать, а летом нагреваться до температуры свыше 50° С), обогащенностью микроорганизмами и органи­ческими веществами (гумус). Почвенный слой богат всякого рода бактериями, в том числе болезнетворными. Эти же бак­терии характерны и для почвенных вод. Поэтому почвенные воды непригодны для технического использования и питья, хотя в условиях избыточного увлажнения они пресные.

Следует заметить, что микроорганизмы далеко вглубь из почвенного слоя проникнуть не могут; обычно на глуби­не 5—10 м их уже не бывает. Почвенный слой с его микро- органическим населением является хорошим обеззаражива­ющим фильтром, в котором гибнут болезнетворные бакте­рии, попадающие в почву с нечистотами; почвенные цито­фаги уничтожают целый ряд заразных бактерий, такие как тифозные, холерные и др.

Иногда к почвенным водам относят скопления льда, наблюдаемые в пещерах, хотя это и неверно. Лед в пеще­рах, в отличие от вековой мерзлоты, может существовать в течение всего года в местностях с годовой температу­рой выше нуля, и даже в теплое лето, если зимой темпера­тура в этой местности опускается ниже нуля и пещеры представляют полости, направляющиеся в глубь земли. При этих условиях холодный воздух переохлаждает зимой стенки пещер, а благодаря уклону вглубь летом согревание этих пещер очень затруднительно. Попадающие в пещеры внешние воды замерзают там и в зависимости от размеров и глубины пещер могут продержаться очень долго. Пеще­ры, направляющиеся в глубь материка горизонтальными ходами, или ходами, поднимающимися кверху, непригодны для накопления в них льда. Как пример ледяных пещер в местностях с годовой температурой выше 0, можно при­вести пещеры Крыма и окрестности г. Куйбышев.

Так как почвенные воды более всего интересуют агроно­мов и почвоведов, как один из важнейших факторов разви­тия растительного покрова, то по существу только в почвен­ной и агрономической литературе мы и встречаем более или менее полные сведения о жизни и характере этих вод. В некоторых случаях, когда почвенные воды имеют постоянный характер и вызывают заболачивание, они при­влекают внимание гидрогеологов, гидротехников и мелио­раторов.

Схема соотношений почвенных и грунтовых вод

В почвенной литературе можно нередко встретить тер­мин «почвенно-грунтовые воды». Этот термин употребляет­ся в случае слияния почвенных и грунтовых вод в единый водоносный горизонт. Подобное явление имеет место тогда, когда:

1. вследствие избыточного питания мощность гори­зонта почвенных вод нарастает, в результате последние заполняют пояс аэрации или мертвый горизонт и приходят в контакт с грунтовыми водами. Это наблюдается, напри­мер, в орошаемых районах в сезоны усиленных поливов или в областях близкого к поверхности земли залегания грунтовых вод в сезоны снеготаяния и избыточных атмо­сферных осадков. При этом наблюдается движение пресных поливных или атмосферных вод вглубь и соответственное опреснение грунтовых вод, если они были солоноватыми или солеными;
2. вследствие нарастания мощности грунто­вых вод, например, при подтоке из области питания, рас­положенной в стороне от места наблюдания, и приближе­ния зеркала грунтовых вод к поверхности земли. При этом свойства грунтовых вод передаются почвенным водам. Последние могут осолониться, если минерализация грунто­вых вод велика.

В орошаемых районах нередко наблюдается повышение уровня грунтовых вод, залегавших до орошения на значи­тельных глубинах. Если породы, содержащие грунтовые воды, очень мелкоземисты, то капиллярный подъем разви­вается в них на высоту 2 м и более. При неучете этого обстоятельства орошение полей ведет к более или менее быстрому подъему грунтовых вод в зависимости от того, как производится орошение. Рассчитать потребное количе­ство воды для орошения таким образом, чтобы вся полив­ная вода была израсходована на транспирацию растениями и на испарение из увлажненного слоя почвы, почти невоз­можно. Трудно заранее предугадать, какой будет ход климатических условий и влияние этих условий на естест­венное увлажнение и иссушение почвы. Поэтому для орошения полей вода подается с некоторым избытком, который и идет на питание грунтовых вод. Уровень послед­них постепенно, из года в год, нарастает, а его капил­лярная кайма постепенно приближается к почве. Если грунтовые воды солоноваты или соленые и если толща горной породы, лежащей под слоем в той или иной мере осолонена, то капиллярные струйки также осолоняются. Достигнув почвы, а иногда и поверхности земли, капил­лярные воды испаряются, а принесенные ими соли отла­гаются как в самой почве, так, иногда, и на ее поверхно­сти. Происходит так называемое вторичное засоление почвы.

При капиллярном перемещении к поверхности земли солоноватых или соленых вод наблюдается и некоторое изменение раствора грунтовых вод; в капиллярах хлори­стые соединения передвигаются быстрее, а углекислые медленнее, поэтому, в конечном итоге, состав воды в капил­лярах, приблизившейся к почве в результате подъема уров­ня грунтовых вод, подпитанного оросительными пресными водами, отличается от состава собственно грунтовых вод. Эти своеобразные последствия орошения почв в засушли­вых областях требуют внимательного изучения гидро­геологических условий в районах подлежащих орошению земель. Основная задача исследования — предотвращение возможности вредных последствий орошения. Вопросами этого порядка занимается мелиоративная гидрогеология.

Следует различать вторичное засоление, наблюдающее­ся в результате подъема грунтовых вод при орошении, от природного засоления почв (осоление почв, образование солонцов, солончаков и пр.) вне зависимости от искус­ственного орошения. В некоторых областях, например на равнинах, прилегающих к Аральскому и Каспийскому морям, существуют подземные воды, образующие напор­ные водоносные горизонты. Водоупорные кровли этих водо­носных горизонтов недостаточно плотны и напорная вода, хотя и очень медленно, все же просачивается сквозь водо­упорные кровли и питает грунтовые воды. В данном случае наблюдается питание грунтовых вод не только за счет атмосферных осадков, но и за счет напорных вод глубоких водоносных горизонтов.

Грунтовые воды, поднимаясь по капиллярам до по­верхности земли, постепенно отдают растворенные в них вещества почве. В результате этого «векового» процесса происходит первичное засоление почв. В возникающих подобным образом солончаках можно наблюдать самые разнообразные минеральные образования — сульфатные, хлоридные, содовые и т. п. Наличие таких солончаков может служить поисковым признаком для обнаружения глубокозалегающих напорных (артезианских) водоносных горизонтов.

Вопросы осушения — это вопросы, касающиеся удале­ния избыточных почвенных и грунтовых вод. Изучение процессов заболачивания и режима вод заболоченных пространств представляет один из наиболее важных момен­тов при изучении почвенных вод, вернее комплекса почвен­но-грунтовых вод в районах избыточного увлажнения.

В почвенной литературе встречаются указания на суще­ствование «внутрипочвенного стока». Считают, что на поло­гих склонах дождевая и талая вода, насыщая почву, не просачивается вглубь, а стекает по внутрипочвенным слоям вдоль поверхности склона в сторону речной долины. Для подтверждения этой мысли приводятся данные опытных исследований. Анализ этих данных, произведенный Б. И. Куделиным, показал их несостоятельность. Сама идея внутрипочвенного стока противоречит законам гидродинамики, по которым капельно­жидкая вода, подчиняясь силе тяжести, просачивается вглубь до водоупорного пласта, по поверхности которого и могла бы стечь в сторону уклона этой поверхности.

Если в почве наблюдаются менее водопроницаемые прослои, например иллювиальный горизонт, то в моменты усиленного питания (снеготаяние и пр.) на этом горизонте может скопиться гравитационная (капильно-жидкая) вода как временный водоносный горизонт типа «верховодки». При наличии избыточного увлажнения и равнинном релье­фе здесь образуется болото.

Различают два основных типа болот — водораздельные и долинные.

Водораздельные болота возникают на более или менее равнинных междуречных пространствах, сложенных трудно-проницаемыми породами, и питаются за счет атмосферных осадков в областях избыточного и неустойчивого увлажне­ния. Так как здесь наблюдается постоянное вмывание растворимых солей в более глубокие горизонты, а питаю­щая болота вода почти совершенно лишена минеральных примесей, то в этих болотах развивается растительность с малозольным скелетом; образующиеся в таких болотах торфяники также малозольны и значительно калорийны. Это преимущественно моховые (например, сфагновые) болота.

Долинные болота залегают в пределах речных долин или вдоль водоемов (озер, прудов и пр.), питаются либо за счет более или менее минерализованных вод водоемов, либо за счет выклинивающихся подземных вод, которые также обычно значительно минерализованы; развивающие­ся здесь торфяники обладают значительной зольностью.

Заболачивание иногда наблюдается в области развития песчаных пространств, хотя, казалось бы, здесь вся избы­точная часть воды могла бы свободно фильтроваться вглубь. В результате передвижения почвенных растворов из верх­ней части почвы вглубь выносятся гумусовые соединения; встречая ниже (на глубине 1—2 м) полуторные окислы железа и алюминия, они образуют с ними нерастворимые железисто-гумусовые соли. Последние отлагаются вокруг песчинок, цементируют их, образуя вначале ортзанды, которые в дальнейшем сливаются в сплошные водоупор­ные плиты — ортштейны. Ортштейны не дают возможности напитывающей пески воде проникать далее вглубь, вслед­ствие чего и происходит заболачивание. Только раздробив ортштейны, можно восстановить фильтрацию вглубь избы­точной воды и вызвать осушение местности.