Потоки подземных вод и их гидрогеологическая характеристика

В гидрогеологии понятие поток подземных вод имеет несколько толкований в зависимости от целевого назначения иссле­дований. Однако исходным является гидрогеодинамическое содержа­ние. В ДПВ понятие поток используется для установления и си­стематизации гидродинамических особенностей подземных вод, фор­мирующихся в различных природных условиях, что важно для по­нимания математической постановки задач динамики подземных вод. Гидродинамические особенности потоков определяются условиями залегания водоносных пластов, а также видами и формами областей питания и разгрузки подземных вод, что связано с геолого-структурными, литолого-фациальными и физико-географическими условиями площади их распространения. Представление о потоках примени­тельно к ДПВ было детально разработано в 1930—1940-е гг. Г. Н. Ка­менским, который предложил классификацию потоков подземных вод по типам водовмещающих структур. Эти представления развил Н. Н. Ходжибаев, который использовал понятие о потоке в качестве таксономической единицы гидрогеологического районирования грун­товых вод Узбекистана, Применительно к проблемам общей и регио­нальной гидрогеологии понятие потока использовали А. М. Овчин­ников, Н. И. Толстихин, В. А. КирюхиН, Е. В. Пиннекер, В. А. Всево­ложский и др. В ДПВ оно получило развитие в работах В. М. Шестанова и И. К. Гавич. Определим поток как пространст­венно-временное выражение структуры движения и баланса подзем­ных вод в некотором объеме гидролитосфер ной среды в пределах при­нятых границ. В таком содержании поток рассматривается одновре­менно как геологическая и гидродинамическая системы. Выделение потока основано на анализе гидродийамической сетки.

Разделим потоки подземных вод на естественные, ес­тественно-техногенные и техногенные. В по­следнем случае гидродинамическая структура потока определяется в основном воздействием инженерного сооружения. Региональные потоки можно разделить на мега-, макро- и мезопотоки. Типизация и детальная гидрогеологическая характеристика естественных пото­ков для ГГС с грунтовыми и напорными водами приведены в работе.

При систематизации потоков питание (и разгрузка) подразделяется на рассеянное (по площади) и сосредоточенное (идущее по контуру). Первое связано с инфильтрацией и глубинным перетеканием, второе — с фильтрацией воды из рек, каналов и т. д. Открытые области питания и разгрузки характеризуются ак­тивной и прямой гидравлической связью потока с атмосферой и на­земной гидросферой, скрытые — имеют непрямые связи. Интен­сивность и направленность водообмена можно определить соотноше­нием вертикального и горизонтального расходов потока. Форма внеш­них границ потока обусловливает характер его движения — линейно­поступательный, веерный, центробежный, или центростремительный, возвратно-поступательный.

С учетом этих особенностей выделено шесть основных типов пото­ков: речных долин, водораздельные, конусов выноса и предгорных равнин, минерализованные с линзами пресных вод, синклинальных структур и напорных вод крупных зон тектонических разломов.

Потоки речных долин чаще всего характеризуются одно- или двухпластовым строением, линейно-поступательным движением, ткрытой или затрудненной наличием суглинков по контакту с рус­лом связью, сосредоточенными и (в меньшей степени) рассеянными питанием и разгрузкой. Они имеют активный горизонтальный водо­обмен с рекой и водораздельным потоком, нередко связаны глубин­ным перетеканием с напорными водами нижележащей ГГС. В зоне многолетнемерзлых пород структура этих потоков усложняется на­личием криогенных водоупоров или сквозных таликов, наблюдается сезонное изменение гидрогеологической и гидродинамической струк­туры потоков. В потоках горных рек (или подрусловых) движение направлено от истоков к устью, взаимодействия с другими потоками нет. Поток в речной долине предгорий характеризуется раз­ной вдоль долины гидравлической связью с потоком грунтовых вод в отложениях конуса выноса. В головной части конуса гид­равлической связи нет вследствие мощной зоны аэрации. Здесь идет поглощение речного стока путем свободного просачивания (в виде «подземного дождя»), что формирует «бугор» на поверхности потока конуса выноса; по мере движения к устью реки оба потока сливаются в единую гидравлическую систему.

Поток подземных вод равниной реки.

А — разрез по линии I—I; Б — план потока. 1 — контур минерализованных вод, поступаю­щих через нижнюю границу гидродинамической системы (ГДС); 2 — границы I (а) и II (б) надпойменных террас; 3 — глубинное пёретекание; 4 — перелии из другой ГДС; 5 — испа­рение; 6 — песок; 7 — суглинок; 8 — трещиноватые известняки; 9 — слабопроницаемые породы; 10 — гидроизогипсы и их отметки, м; 11 — направление движения подземных вод; 12 — напор. М — межень; П — паводок; W_а - инфильтрация атмосферных осадков.

Подрусловой поток

где, а — разрез; б — план. 1 — субнапориые воды; 2 — водоупор.

Потоки предгорный речной и конуса выноса

где, 1— аллювиальные пески предгорного речного потока; 2—4 — поток конуса выноса (2 —* галечники и пески, 3 — суглинки, 4 — глина); 5 — закольматироваииый слой; 6, 7 — уро­вень грунтовых вод (5 — потока конуса выноса; 7 — предгорного речного потока); 8 уровень напорных вод конуса выноса; 9 — направление движения потока конуса выноса (а) и предгорного речного (б); 10 — свободная йнфильтрации вод предгорного речного потока;11— инфильтрациониое питание;12—зона частичного выклинивания подземного стока.

Водораздельные потоки междуречных пространств наиболее рас­пространены в Четвертичных ледниковых отложениях и в горизон­тально залегающих осадочных отложениях более древнего возраста. Характер гидродинамических связей в таких потоках оп­ределяется интенсивностью инфильтрационного питания, фильтра­ционными свойствами разделяющих слоев и глубиной эрозионного расчленения рельефа. В результате формируется многопластовая си­стема гидравлически связанных грунтовых и межпластовых напор­ных вод или система с существенно иными гидродинамическими связями, когда возникает несколько зон аэра­ции. Питание всех нижележащих (межпластовых грунтовых и в том числе напорных) горизонтов осуществляется в центральной части водораздела путем последовательного перетека­ния воды сверху вниз через разделяющие слои. Оно было впервые уста­новлено и математически описано А. Н. Мятиевым в 1946 г. Свидетельством наличия питания являются: снижение напоров в пла­стах сверху вниз, «выпуклость» всех пьезометрических кривых ана­логично форме уровня грунтовых вод, достаточная проницаемость разделяющих слоев. Водораздельные потоки находятся в прямом взаимодействии с потоками речных долин.

Водораздельный много­ярусный поток с межпластовыми грунтовыми и напорными водами и его взаимосвязь с потоками речных долин.

где, 1—пески; 2 — известняки; 5 — разделяющие суглинистые слои; 4 — фильтрация через разделяющие слои; 5 — свободное просачивание (инфильтрация) в зоне аэрации; 6— уровень грунтовых вод; 7 — уровень напорных вод; 8 — направление движения под­земных вод; 9 — источник.

Водораздельные потоки междуречных пространств, сложенных трещиноватыми изверженными и метаморфическими породами, имеют однопластовую структуру , водоупором служат плотные породы. Зоны тектонических разломов усложняют структуру потоков, создавая зоны дренирования или непроницаемые экраны. Водораз­дельные потоки вулканогенных эффузивных пород отличаются резкой фильтрационной неоднородностью и сложной картиной движения.

Для водораздельных потоков характерны горизонтально-верти­кальный водообмен с разным по величине соотношением инфильтрационной и глубинной составляющих и пространственная форма веерного центробежного движения от центральной части междуречья к ограничивающим его речным долинам.

Потоки водораздельных пространств трещиноватых массивов и синклинальных структур горных сооружений

где, А — сочлененный водораздельный грунтовый поток в трещиноватой зоне эффузивного массива и напорный поток в трещиноватых известняках мульдообразной структуры; Б — грунтовый поток в синклинальной структуре. 1— водоносные известняки; 2 — водоупорные глины; 3 — эффузивные породы плотные, водоупорные (а) и трещиноватые, водоносные (б); 4 — дислоцированные водоупорные породы; 5 — зона разлома с источником; 6 — граница водоносных и водоупорных пород; 7 — испарение с уровня грунтовых вод; 8 — уровень подземных вод; 9 — направление движения подземных вод.

Потоки конусов выноса содержат в головной части грунтовые воды, приуроченные к мощной (до 300 м) толще гравийно-галечниковых от­ложений, а также грунтово-субнапорные и напорные воды — в пери­ферических частях, где появляются слои суглинков и глин разной мощности и выдержанности по простиранию, формирующие много­пластовую систему гидравлически связанных водоносных пластов. Характерным является постепенное уменьше­ние мощности зоны аэрации и проницаемости толщи от предгорий к центру впадин. Одновременно наблюдается увеличение градиентов потока, что обусловливает появление в его средней части зоны частич­ного выклинивания подземного стока.

Мегапотоки в межгорной впа­дине

где, 1— пески; 2 — уровень подземных вод; 3 — суглинки; 4 — зона застойного режима (с прак­тически нулевыми скоростями движения); 5 — направление движения подземных вод; 6 — породы фундамента.

На предгорных равнинах формируются системы макропотоков со сложной гидрогеологической структурой, пространственным центро­стремительным движением от горной части к равнинной, имеющие в плане веерообразную форму, с интенсивным горизонтально-верти­кальным водообменом и различными видами сосредоточенного и рас­сеянного питания и разгрузки.

Потоки с песчаными й подтакырными линзами пресных вод харак­теризуются вертикальным инфильтрационным водообменом, а потоки с приканальными или подрусловыми линзами,— горизонтальным во­дообменом и инфильтрационно-фильтрационным типом связи.

Потоки синклинальных структур различаются характером движе­ния подземных вод в зависимости от типа, возраста и размера геоло­гических структур, с которыми они связаны, от типов и литолого- фациального состава пород, к которым они приурочены. В относи­тельно небольших мульдообразных структурах на древних щитах и платформах, как правило, формируются мезопотоки с грунтовыми и субартезианскими водами. Мега- и Макропотоки развиваются в ГГС, приуроченных к крупным мульдо­образным впадинам, предгорным прогибам и межгорным впадинам, образующим крупные и средние артезианские бассейны.

Потоки имеют многопластовую структуру, центростремительное или поступательное движение, сложный горизонтально-вертикальный водообмен с преобладанием глубинного перетекания. В краевых зонах разгрузки крупных артезианских бассейнов наблюдаются два типа потоков. Первый — артезианский склон по А. М. Овчинникову, характеризуется возвратно-поступательным движением и наличием застойной зоны. Такое движение обусловлено дренирующим дейст­вием глубоко врезанных речных Долин, выклиниванием под ними ре­гиональных водоупоров и достаточно значительной разностью отме­ток пьезометрических уровней между областью питания потока и зо­ной его краевой разгрузки. Потоки второго типа имеют поступательное движение, которое создается в тех случаях, когда ре­гиональные водоупоры экранируют дренирующее действие речной долины и наблюдается незначительное превышение отметок внешней области питания.

Краевая зона разгрузки пото­ка артезианского бассейна с возвратно-поступательным движением

где, 1— пески; 2 — уровень подземных вод; 3 ~ суглинки; 4 — зона застойного режима (с прак­тически нулевыми скоростями движения); 5 — направление движения подземных вод; 6 — породы фундамента.

Потоки напорных вод крупных зон тектонических разломов харак­теризуются блоковым типом гидрогеологической структуры, нали­чием систем трещин с разными ориентировкой, раскрытостью и про­тяженностью, что Создает трещинно-жильный глубинный тип цирку­ляции воды.

В заключение отметим, что математическая постановка задач ди­намики подземных вод наиболее разработана для элементарных, ло­кальных потоков и для макро- и мезопотоков зоны активного водообмена. Практически отсутствуют расчеты для мегапотоков в целом, когда математическим описанием одновременно должны быть охва­чены зоны замедленного и весьма замедленного водообмена. Для этих зон еще не установлены те основные законы движения, на которых должно строиться такое описание. Имеются трудности и в мате­матической постановке задач применительно к потокам крупных зон разломов с блоковой структурой.