Специальные гидгогеологические исследования по заданиям мелиорации,ирригации и водоснабжения

Специальные гидрогеологи­ческие исследования связаны с конкретными заданиями. Они могут быть двух типов:

1. специальные исследования большого района для выяснения характера необходимых сельскохозяйственных мероприятий — орошения или осу­шения;
2. специальные исследования сравнительно неболь­шого участка в связи с планировкой новостройки, перепла­нировкой города, строительством обширного промышлен­ного комбината и их водоснабжения подземными водами, гидротехнических сооружений и т. п.

Указанные типы исследований в значительной мере отличаются друг от друга по направленности и углублен­ности того или иного вида детальных работ. Последние, будучи даже сходными по составу исследований, во втором случае будут усложнены более обширной детальной развед­кой в связи с тем, что отчетные карты должны быть даны в более подробном масштабе. Если в первом случае можно ограничиться отчетной картой масштаба 1 : 50 000, то во втором случае дается карта масштаба I : 25 000 или еще более подробная. Только такой масштаб даст возможность разрешить поставленные задачи, имеющие целью главным образом выявление режима подземных вод данного района и связанных с ним геодинамических явлений.

При специальных исследованиях (в дополнение к раз­ведочным работам) проводятся опытно-исследовательские работы, которые ставят задачей главным образом выясне­ние гидрогеологических свойств грунтов, являющихся для данного района покровными, т. е. залегающими в пределах первого десятка (или в крайнем случае первых десятков) метров от поверхности, и выяснение вопросов, связанных с динамикой и режимом вод в этих грунтах. Опытные работы позволяют до известной степени подойти к выявлению тех измеиений, которые произойдут с подземными водами под влиянием новых факторов, могущих возникнуть при про­ведении в жизнь того проекта, для которого проводятся данные исследования. Так, при орошении в связи с появле­нием дополнительных количеств воды наблюдается подъем уровня грунтовых вод, а при осушении в связи с извлече­нием некоторой массы подземной воды, наоборот, пониже­ние его.

Для иллюстрации того, насколько важно учитывать изменения в режиме подземных вод при осуществлении тех или иных видов строительства, можно привести пример из практики. В Голодной степи (Средняя Азия) начали оро­шение участка в сотню гектаров, вне границ которого ника­кого воздействия на поверхность имеющейся там грунтовой воды не наблюдалось. К процессу орошения относились чрезвычайно внимательно, чтобы не вызвать катастрофи­ческого подъема грунтовых вод, засоления участка вслед­ствие подъема с капиллярной водой солей. Вначале ника­кого осложнения па данном участке не наблюдалось. Одна­ко со временем, окрестности его начали превращаться в осолоненные пространства. Оказалось, что первоначаль­ный уровень грунтовых вод испытал определенную деформа­цию не только в пределах участка, но и за его пределами. Та вода, которая вводилась на участок, постепенно рас­ходовалась частью на испарение, а частью просачивалась и доходила до первого водоносного горизонта. Расстояния от поверхности земли до этого горизонта сравнительно небольшие (2—5 м), а величина всей орошаемой площади около 1 км². Естественно, что движение воды в вертикаль­ном направлении совершалось гораздо скорее, чем боковое ее растекание. В связи с этим в районе орошения образова­лась нагрузка на минерализованный водоносный горизонт в виде линзы пресной воды (нормально в Голодной степи грунтовая вода засолена, плотный остаток ее равен 5—10 г/л и более). Зеркало минерализованной воды под давлением пресной линзы начало прогибаться. При дальнейшем увели­чении линзы пресной воды за ее пределами произошел подъем соленой воды. Конечно, последний не достиг такого уровня, который имела линза пресной воды, но все-таки такой про­цесс имел место. Следует иметь в виду, что в данном случае надо учитывать не только уровень соленой воды (гравита­ционный), но и ту капиллярную воду, которая в лессовидных грунтах Голодной степи поднимается на 2—3 м. В резуль­тате подъема соленой воды произошло засоление отдель­ных участков района, окружающего поле, хотя никакого непосредственного воздействия в виде полива этот район не испытывал. В последующем это засоление было ликвиди­ровано проведением мелиоративных работ.

Установить гидрогеологические свойства горных пород, природный режим подземных вод и выяснить возможные для данной местности и окружающих ее пространств послед­ствия орошения или осушения и должны опытно-исследовательские работы.

Схемы действия оросительных вод на подъем уровня грунтовых вод

Усложнение исследований на небольшом участке в свя­зи с конкретными задачами строительства происходит, как уже говорилось, главным образом за счет разведочных работ. Если при детальном гидрогеологическом исследова­нии одна буровая скважина может характеризовать пло­щадь от 50—60 до 100 га, то на небольшом участке в зависи­мости от требования строительства она обслуживает пло­щадь 200—100—50 м²: элементы разведки здесь могут быть доведены до максимума. В некоторых случаях к ним при­соединяются экспериментальные работы, которые еще более осложняют гидрогеологическое исследование, но позволяют более глубоко и полно решить поставленную задачу. При этих исследованиях могут быть поставлены вопросы отно­сительно гидрогеологических свойств грунтов, в которых найдены подземные воды, а также относительно водообилия и изменения качества как воды, так и грунтов в связи с повы­шением или понижением уровня воды, о влиянии изменения уровня грунтовых вод на устойчивость грунта в месте стро­ительства и т. д.

Так как вопросы, которые решаются при специальных гидрогеологических исследованиях, чрезвычайно много­численны и разнообразны, то по существу они требуют комплексного изучения и разрешения. Поэтому к специ­альным исследованиям обычно привлекается, кроме гидро­геологов, целый ряд других исследователей. Большую роль в таких исследованиях играют климатологи, геоморфоло­ги, почвоведы, гидрохимики; часто приходится прибегать и к консультации гидравликов и геофизиков.

Что могут дать сельскохозяйственнику, мелиоратору, ирригатору специальные гидрогеологические исследования для осушения и орошения? Надо сказать, что в каждой из этих двух групп вопросов работа гидрогеолога может иметь определенные объекты. Если будем говорить об орошении, то, с одной стороны, задачами исследования являются поис­ки подземной воды, при помощи которой можно осущест­вить орошение, а с другой — выяснение тех следствий или условий, которые могут иметь место как результат ороше­ния.

Вопрос о поисках воды для орошения до сих пор ставил­ся сравнительно редко. Для орошения брали воду из рек, поэтому этим вопросом занимались не гидрогеологи, а гид­рологи. В последнее время все больше и больше прибегают к орошению подземными водами там, где поверхностные воды рек и озер использованы в очень большой степени, и часто речь идет о том, чтобы пополнить ресурсы воды, которыми мы можем располагать для орошения.

Возможности получить дополнительные массы подзем­ной воды в помощь тем поверхностным водам, которые идут на орошение (воды рек, озер и т. д.), сравнительно неболь­шие. Дело в том, что годных для орошения подземных вод, по сравнению с поверхностными водами, значительно мень­ше; кроме того, распределение их часто не совпадает с рас­пределением тех площадей, которым требуется вода для орошения. В практическом решении вопроса орошения, требующего большого количества воды, часто встречаются большие затруднения. В качестве довольно яркого примера можно указать Южную Туркмению — район, прилегающий к Копет-Дагу. Горный хребет тянется в широтном направ­лении; склоны его, падающие на север, постепенно перехо­дят в пустынные пространства. Вдоль предгорий, проре­занных лишь ничтожными речками, спускающимися с Ко­пет-Дага, расположены на плодородных землях оазисы. Здесь чрезвычайно интенсивно использованы для орошения и водоснабжения грунтовые воды, но в общем количество их небольшое по сравнению с теми площадями, которые можно было бы оросить. Поиски воды, которую можно было бы извлечь на поверхность, являются насущнейшей потреб­ностью не только для всего этого района, но и для районов, расположенных далее на запад, до Красноводска. В районе Копет-Дага были проведены гидрогеологические исследова­ния обзорного порядка. Кроме того, производились буровые разведки, причем начало их относится к 90-м годам прош­лого столетия, в прошлом веке была заложена глубокая буровая скважина в г. Ашхабаде. Достигнув глубины поч­ти 670 м, она тем не менее достаточного количества подзем­ной воды не обнаружила. В другом месте этого района (ст. Такыр) была пройдена скважина глубиной в 200 м, которая вскрыла небольшое количество солоноватой воды. Неудовлетворительные результаты дала буровая скважина глубиной в 1300 м на железнодорожной станции Уч-Аджи. На основании этих данных предполагали, что предгорная равнина на всю глубину, которую прошли скважины, сло­жена исключительно рыхлыми наносами, состоящими из щебня, песка и глины, переслаивающихся друг с другом, дающих очень своеобразный вертикальный разрез и содер­жащих слабые водоносные горизонты.

Только в 1930 г. в окрестностях г. Ашхабада обнаруже­на фонтанирующая вода хорошего качества, пригодная для водоснабжения, но приуроченная к коренным меловым отложениям. Данные этой скважины указывают па то, что существовавшее ранее представление о бедности предгорий Копет-Дага подземными водами в значительной мере было обусловлено несовершенством методов разведки и забора подземных вод.

Большое значение имеет способ каптажа подземной во­ды. Обыкновенно добывали воду при помощи скважин, снаб­женных фильтрами-сетками и получавших воду непосред­ственно из водоносного песка. П. А. Панкратов  раз­работал весьма рациональный способ каптажа вод из пес­чаных неглубоко залегающих водоносных пластов. Вокруг скважины устраивается внешний гравийный фильтр, состо­ящий из крупного гравия и мелких галек. При помощи такого дополнительного гравийного фильтра возможный каптаж скважины увеличивается в несколько раз.

Приведенные примеры поисков подземной воды (в Ашха­баде, Уч-Аджи и в других местах) указывают на то, каких усилий и затрат средств требуют подобного рода разведоч­ные работы.

Приведенные примеры также показывают, какие крупные затраты можно сделать для того, чтобы попытаться найти пресную воду в недрах. Ведь если нет воды на глубине 700 м, то она может встретиться на глубине 800 м. Однако скважина глубиной в 800 м стоит весьма дорого. Не имея достаточных данных, которые могли бы обещать положи­тельные результаты, опасно затрачивать большие средства на продолжение дальнейшего разведочного бурения. В по­мощь существующим методам разведки приходится призы­вать иные методы исследования, которые могли бы до извест­ной степени дать обоснование для буровой разведки, напри­мер метод геоструктурного исследования. С его помощью устанавливают геологические структуры, условия залега­ния различных пластов в данной местности и выясняют их водопроводящие и водоносные свойства. В данном слу­чае до известной степени переплетается работа геолога и гидрогеолога, т. е. в работу геолога включается гидрогео­логическая задача.

В конечном итоге геолог должен дать описание, геологи­ческую карту и так называемый геологический разрез или профиль данной местности. Такого рода геологические раз­резы построены для очень многих мест. Один из подобных разрезов был сделан почти совершенно без всякой разведоч­ной работы в начале 60-х годов прошлого века для Подмо­сковного края. В основу его составления были положены естественные обнажения, встреченные при изучении скло­нов речных долин и оврагов на всем пространстве, охва­ченном разрезом. Он дал картину залегания слоев для этого края на пространстве от Калинина до Тулы. На основании анализа разреза был сделан вывод, что в центре области залегают напорные воды. Первый же буровой колодец, сооруженный на Яузском бульваре в Москве, подтвердил это предположение.

Предварительные схематические геологические профили мелкого масштаба, составленные только па основании изу­чения имеющихся в природе естественных разрезов по овра­гам и рекам, дают необходимый фактический материал, который может служить для дальнейшего обоснования буро­вой разведки. Дело в том, что каждый пласт земной коры представляет собой нечто закономерное, образовавшееся в природе при определенных физико-геологических услови­ях, и несет в себе черты определенного происхождения. Если мы имеем какой-нибудь пласт, например песок, то этот песок должен был возникнуть в каких-то определенных условиях. На основе изучения характера этого песка мы можем до известной степени сделать вывод, каковы те усло­вия, в которых он образовался, и какова его протяженность в пространстве и его фациальное постоянство.

Гидрогеолог, имея детальный геологический профиль, составленный на основании изуче­ния мелких выработок, может указать на некото­рые закономерности раз­вития в пространстве по линии профиля гидро­геологических условий.Рассмотрим конкретный пример из практики Средней Азии, где воп­рос о нахождении воды стоит резче, чем где бы то ни было. Предполо­жим, есть профиль, ха­рактеризующий переход предгорий в равнину.На нем видно, как изме­няются в этом же на­правлении породы: вблизи предгорий залегают галечники, в долине — суглинки, а между ними находится промежуточ­ная полоса, характеризующаяся переслаиванием крупнооб­ломочного и мелкообломочного материала .

Схема распределения грун­товых вод в подгорных шлейфах

где К — конуса выносов — область питания, Р — родниковая полоса (появление карасу), П — область погружения зеркала грунтовых вод и повышения нх концен­трации, С — склон горного массива.

Соотношение областей питания и выклинивания  в подгорных шлейфах

Рас­пределение грунтовых вод здесь своеобразно. Места, находя­щиеся у предгорий, расположены на более высоких отметках и получают большое количество осадков. Кроме того, в отло­жения предгорий поступают воды из рек. Они и являются областью питания грунтовых вод, развитых в расположен­ной ниже предгорной равнине; условия для фильтрации воды в глубь мощной галечниковой толщи здесь благоприят­ны и водоносный горизонт залегает поэтому очень глубоко. Передвигаясь от предгорий к равнине-, подземная вода пере­ходит в район слабофильтрующих пород, уровень ее посте­пенно выравнивается за счет замедления движения. Вслед­ствие переслаивания грубо- и мелкообломочных пластов вода начинает распределяться по водопроницаемым гори­зонтам, которые напитываются этой водой. При понижении местности уровень грунтовых вод, обладающий меньшим уклоном, нежели поверхность земли, выйдет где-то на по­верхность, давая родники и образуя заболоченные про­странства. Таким образом, при рассмотрении профиля уста­навливается, как происходит продвижение вод, и выясняют­ся условия их подъема к поверхности земли.

Гидрогеологический профиль дает также возможность наметить закономерность распределения качества воды, что, несомненно, весьма важно не только для водного хозяй­ства. По линии профиля жесткость воды неодинаковая: в предгорьях она равна 6—10 градусам (нем.), в области выклинивания 20—40 градусам, а еще далее, в лессовой равнине, мы имеем солоноватую, соленую и даже рассоль­ную воду. Здесь она часто становится настолько соленой, что ее ни для питья, ни для полива применять нельзя. Эти гидрогеологические закономерности чрезвычайно интерес­ны, так как они отражают своеобразные условия водонос­ности, которые можно распространить на довольно боль­шие пространства, почти на все предгорные районы Средней Азии.

Поскольку профиль дает понятие о закономерном рас­пределении грунтовой воды близ поверхности земли и объяс­нение различных свойств ее, то, несомненно, он имеет очень большую ценность для гидротехника.Гидрогеологические исследования в основном должны сводиться к тому, чтобы дать возможно более подробные разрезы (профили), на основании которых можно было бы сделать выводы о литологии и структурах слагающих данную местность пластов. Разрезы должны сопровождать хорошую гидрогеологическую карту, которую они иллю­стрируют.Приведенные выше исследования давали только качест­венные ответы на вопросы, и вполне естественно, что они должны быть дополнены количественными показателями, которые получают в результате опытных работ.

Примером опытных работ являются откачки, описан­ные выше, причем в зависимости от заданий организуются они по-разному. Для предварительных оценок водоносности достаточны кратковременные откачки. Если нужны точные цифры для эксплуатационных подсчетов, организуются дли­тельные откачки. Например, при работах для целей водо­снабжения, когда необходимо обеспечить определенное коли­чество воды, длительные откачки необходимы.Почему требуется длительная откачка? Дело в том, что можно испытывать колодец в грунтовых водах, но не знать их режима и, следовательно, не знать, производится ли откачка в период максимума или минимума стояния уровня вод. Поэтому необходима длительная откачка, которая захватит разные естественные стояния уровня. Если откач­ку производили в течение 8—12 месяцев, то естественный уровень за это время испытывал различные колебания и,  следовательно, в результате откачки можно иметь пред­ставление о том, как будет работать колодец при низком уровне и как при высоком. При краткосрочной откачке получают характеристику колодца только при одном каком- то неопределенном исходном уровне, в отношении которого нет уверенности, будет ли он самым высоким или самым низким. Выходом из этого положения является следующий метод: делают через некоторые промежутки времени кратко­срочные откачки и получают данные, которые дают харак­теристику работы при различных естественных условиях режима.

В последнее время некоторые исследователи нашли воз­можным давать характеристики водоносных толщ, испыты­вая только один колодец (не устраивая дополнительных контрольных скважин). Испытания ведутся в течение 6—7—8 ч. При этом методе скважина должна дойти по возмож­ности до водоупорного ложа, а при откачке добиваются наиболее низкого стояния уровня воды в ней, т. е. такого, когда вода почти полностью исчерпывается. Испытывая такой колодец на максимальное понижение, можно полу­чить некоторое представление о его средних расходах. Таких сведений достаточно, например, при устройстве водо­хранилища. Они дают возможность учесть вероятную филь­трацию воды под плотиной. Подобные испытания признаны достаточными для схематического проекта. Для техниче­ского проекта они едва ли будут достаточными.Испытания колодцев откачкой довольно сложны и гро­моздки; они должны дать ответ на вопрос о водоотдаче грунтов, о производительности колодцев, о тех массах воды, которые в данном случае возможно использовать из водо­носного горизонта в различные сезоны года.