Движение подземных вод

Медленное течение воды по сообщающимся порам и мелким трещинам в зоне насыщения называется фильтрацией. Фильтрация подземных вод зависит от наклона зеркала грунтовых вод или от гидравлического (напорного) градиента (величина падения уровня грунтовых вод, деленная на расстояние, на котором это падение имеет место), от водопроницаемости слоев различных пород, а также от их наклона.Давление жидкости в какой-либо точке, обусловленное весом вышележащей жидкости, называется гидростатическим давлением. Гидростатическое давление больше под поднятиями зеркала грунтовых вод, чем на той же высоте, но под пониженными его участками. Разность гидростатического давления и вызывает течение воды. Грунтовые воды движутся по пути наименьшего сопротивления из областей с высоким гидростатическим давлением под горами в области с низким гидростатическим давлением под долинами. Разница в высоте
зеркала грунтовых вод между дождевыми и засушливыми годами, естественно, больше под возвышенностями, чем под долинами, и в результате получение воды из неглубоких колодцев на возвышенностях не так надежно, как в низинах.
Глубина, до которой проникают поверхностные воды, меняется в зависимости от пористости и проницаемости пород. В некоторых проницаемых породах поверхностные воды просачиваются на глубину в несколько тысяч метров, тогда как в почти непроницаемых породах лишь очень немного воды скапливается глубже нескольких сотен метров. Если наименьшее сопротивление вода встречает при движении непосредственно вниз благодаря наклону пластов или разломам, обладающим высокой проницаемостью, то вода может просачиваться вниз до значительных глубин, прежде чем она по какому-нибудь проницаемому слою или трещине сможет снова подняться на поверхность.

Проницаемость массивных магматических и метаморфических пород зависит главным образом от количества и размера трещин. Если трещин мало или нет совсем, то на глубине более нескольких десятков метров редко обнаруживаются значительные запасы воды. В медьсодержащих породах полуострова Кивино в шт. Мичиган были пройдены шахты на глубину более 1 км от поверхности земли. В нижней части многих шахт породы оставались сухими. Однако в других районах в шахтах и тоннелях, пройденных на большую глубину, было обнаружено значительное количество воды. Следы хлорида кальция, сброшенного в озеро, расположенное на 470 м выше тоннеля Моффет в шт. Колорадо, были обнаружены в воде, просачивающейся по трещинам в этом тоннеле, не позднее чем через два часа.

Подземные воды и реки на поверхности земли. Большая часть рек питается грунтовыми водами из источников и за счет общего просачивания. Такие реки, известные под названием эфлюентных (питаемых грунтовыми водами), приурочены к низинам, расположенным на зеркале грунтовых вод, так что эти воды стекают в реки. В области, где зеркало грунтовых вод находится отчетливо ниже уровня рек, вода из рек уходит под землю. Такие реки называются инфлюентными (питающими грунтовые воды). Каждый инфлюентный поток вызывает формирование гребня в нижележащем зеркале грунтовых вод. Инфлюентные потоки часто бывают перемежающимися из-за отсутствия поверхностного стока в засушливые периоды. Река может в одной части своего течения питаться за счет грунтовых вод, а в других - терять воду. Многие реки теряют воду во время паводка, когда происходит подъем зеркала грунтовых вод на примыкающих к ним поймах и в других водоносных горизонтах, и питаются грунтовыми водами в засушливое время года. Большая часть рек, которые продолжают течь во время длительных сухих сезонов, сохраняется благодаря поступлению грунтовых вод. Другими источниками питания рек могут служить искусственные водохранилища и таяние снега и ледников.

Инфильтрация воды из реки в значительной степени зависит от водопрони-цаемости ее ложа. Если ложе и берега реки образованы алеврито-глинистым материалом, то потери за счет инфильтрации могут быть невелики. Большое количество алевритовых и глинистых частиц в переносимом рекой материале способствует запечатыванию русла и предотвращению обильной утечки воды. Подобным же образом глину используют для укрепления оросительных канав и каналов с целью предотвратить потерю воды за счет инфильтрации.

Родники. Родники встречаются там, где грунтовые воды выходят на поверхность земли через естественные отверстия. Скорость и характер истечения воды из родников зависят от количества воды и от проницаемости и текстуры пород В тех местах, где водоносный горизонт залегает на водоупоре и зеркало грунтовых вод подходит к поверхности земли, вода может просачиваться в виде сотен маленьких источников. В тех породах, в которых благодаря наличию разрывов или расширенных за счет растворения трещин или проницаемых зон течение воды сосредоточивается в небольшом числе более крупных родников, со временем могут возникнуть хорошо выраженные подземные потоки. Родники могут выходить вдоль разломов, секущих водонепроницаемые слои. Вода некоторых источников изливается на дно моря, откуда она может подниматься сквозь толщу более плотной соленой воды, прежде чем смешается с ней. В районах с дефицитом воды выявление и перехват родников на морском дне могут служить ценным источником пресной воды. Подсчитано, что в США имеется 65 источников первой величины со средним суточным расходом воды не менее 2,8 м3/с. 38 источников сосредоточено на территории шт. Айдахо, Орегон и Калифорния; они выходят вдоль обнажающихся на поверхности разрывов и неровных поверхностей лавовых потоков или через развитые здесь наносы гальки и гравия. 24 источника приурочены к расширенным в результате растворения трещинам и разрывам в известняках в районе Озарк на территории шт. Миссури и Арканзас, к зоне разлома Белконс в шт. Техас и к территории шт. Флорида. Три источника бьют из песчаников в шт. Монтана; полагают, что большой расход воды этих источников обусловлен разломами или какими-то другими особыми чертами строения.

Количественная оценка течения грунтовых вод. Решающий шаг в понимании движения грунтовых вод был сделан в 1856 г. Генри Дарси. Он установил, что расход грунтовых вод прямо пропорционален гидравлическому градиенту и площади поперечного сечения водоносного горизонта. Эти соотношения выражаются следующим уравнением:

Q (расход воды) = V(скорость течения) • А (площадь поперечного сечения водоносного горизонта),

где
V — Р (коэффициент проницаемости) • I (уклон или разница высот : пройденное расстояние).
Следовательно,
Q = Р • I • А.
Коэффициент проницаемости зависит от всех свойств водоносного горизонта, влияющих на проницаемость, и от свойств жидкости, влияющих на течение. Течение через мелкие поры является скорее ламинарным, чем турбулентным, и следовательно, значение имеет вязкость воды, зависящая от температуры.
Коэффициент проницаемости (Р), измеряемый в футах в день, колеблется от величин менее 10-4 в непроницаемой среде до 10-103 в чистом песке и 105 в чистом гравии. Значит, чистый песок, чистый гравий или смесь чистого песка и гравия образуют хорошие водоносные горизонты. Очень мелкий песок, алеврит, смесь песка, алеврита и глины и слоистые глины являются плохими водоносными горизонтами, а невыветрелые и уплотненные глинистые породы практически непроницаемы для воды.
По данным о проницаемости пород и наклоне зеркала грунтовых вод можно вычислить ожидаемую скорость течения; обычно она колеблется от нескольких миллиметров до нескольких метров в день. Например, при наклоне зеркала грунтовых вод 1,88 м/км (10 футов на милю) и Р = 105 футов в день для чистого гравия скорость течения равна 0,7 м (2,5 фута) в день. В тонкозернистом песке, где Р=10-1 футов в день, скорость течения воды равнялась бы 0,0007 м в день. Если бы наклон зеркала грунтовых вод был равен 18,8 м/км (100 футов на милю), то скорость течения была бы в 10 раз боль¬ше.
Такие расчеты скорости течения воды основываются на площади поперечного сечения водоносного горизонта, а не на площади поперечного сечения пор, по которым в действительности проходит вода. Истинная скорость течения в порах, по-видимому, в несколько раз больше, чем скорость, получаемая из уравнения Дарси. Все же она чрезвычайно мала по сравнению со скоростью течения рек на поверхности земли или потоков в крупных подземных карстовых каналах. Движение воды по большим полостям, например по расширенным в результате растворения трещинам, является турбулентным точно так же, как и течение воды в реках или по трубам.