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.

Запасы подземных вод

Подземные воды относятся к числу природных ресурсов, от которых в настоящее время зависит значительная часть населения земного шара. Ими снабжается множество городов, они широко применяются в сельском хозяйстве и промышленности. Подсчитано, что колодцы и источники дают в среднем 110-130 млн. м3 (120 млрд. л) воды в сутки, т. е. примерно 1/5 общего количества воды, используемой для орошения, в промышленности и для домашних нужд.
Большая часть используемых подземных вод извлекается из неконсолиди-рованных осадков, водопроницаемых твердых осадочных пород и лавовых потоков. Среди неконсолидированных осадков главным источником служат аллювиальные пески и галечники, ледниковые наносы, речные террасы и поймы и песчаные отложения прибрежных равнин. Галечники и гравий дают наибольшие поступления, пески - немного меньшие, а поступление воды из аргиллитов, глин, отложений грязевых потоков и морен невелико. В консолидированных породах самый большой выход воды можно ожидать из водопроницаемых песчаников, пористых известняков, сильно трещиноватых пород, таких, например, как кварциты и граниты, и из трещиноватых, пузырчатых или кавернозных базальтовых потоков.
Для увеличения проницаемости пород вблизи колодцев и скважин в них иногда производят взрывы или заливают кислоту. Предложенный метод разрушения твердых пород с помощью атомных взрывов мог бы способствовать увеличению инфильтрации, просачивания и восстановлению уровня воды в колодцах, если бы удалось решить проблему радиоактивности. Выход воды из глинистых пород обычно очень невелик, если только в этих породах не развита сильная трещиноватость. Выход воды из известняков может быть большим там, где трещины расширены за счет растворения, и значительно меньшим там, где трещины в известняках встречаются редко, а растворение было назначительным.
Проницаемость большинства магматических пород зависит от количества и размера рассекающих их трещин. Некоторые лавовые потоки и отложения, состоящие из кусочков пемзы, настолько проницаемы для воды, что по ним редко текут реки. В то же время некоторые площади, сложенные гранитами, настолько водонепроницаемы, что в их водном режиме резко доминирует поверхностный сток. Колодцы и скважины. Рытье колодцев и бурение на воду восходят к древнейшим историческим эпохам. Впервые бурение с целью получения воды было произведено в Китае и Индии. Ирригационные работы с использованием колодезной воды производились в Вавилоне еще за 2000 лет до н. э. В настоящее время в Индии и США из колодцев и скважин орошается больше земель, чем из рек.
Многие колодцы представляют собой просто мелкие углубления, выкопанные или пробуренные в земле ниже уровня грунтовых вод. Они служат резервуарами, в которые стекают грунтовые воды и из которых воду можно откачивать.
Места для большинства новых колодцев и скважин, предназначенных для получения большого количества воды, выбирают очень осторожно, лишь после тщательного гидрологического анализа таких факторов, как количество атмосферных осадков на питающей площади, литология  пород, их текстура и водопроницаемость.
Даже в случае пород с высокой проницаемостью удаление воды через колодец или скважину понижает уровень грунтовых вод в сторону колодца (скважины). В породах с низкой проницаемостью депрессионная воронка имеет вид конуса с крутыми стенками, радиус которого может быть не более нескольких сотен метров. Однако в однородных проницаемых песках и гравии депрессионная воронка колодца, из которого откачивают много воды, может распространяться на несколько километров и накладываться на депрессионную воронку соседнего колодца или скважины. Если из системы колодцев (скважин) нужно выкачать много воды, то располагать их следует таким образом, чтобы максимальный выход воды можно было получить из наименьшего числа колодцев.
В некоторых районах на территории США с начала 1800-х гг. практикуется искусственное подпитывание колодцев. Воду можно закачивать в грунт, увеличивая таким образом гидростатическое давление, скорость инфильтрации и уменьшая время, необходимое для восстановления в колодце прежнего уровня воды. Это служит двум целям - сохранению воды и улучшению ее качества, а кроме того, позволяет, увеличив скорость пополнения, иногда за счет добавления воды с поверхности, уменьшить минерализацию грунтовых вод и изменить их температуру. Артезианские колодцы и скважины. Артезианские колодцы получили свое название от французской провинции Артуа, где во многих колодцах вода поднималась выше поверхности земли, и била фонтаном. Сегодня название «артезианский» распространяется на любой колодец, где грунтовые воды поднимаются выше отметки, на которой они были встречены сначала; вода не обязательно должна изливаться на поверхность.
Артезианское течение возникает вследствие разности гидростатического давления в различных частях замкнутого водоносного горизонта. Водоносный горизонт в артезианской системе можно сравнить с водопроводной трубой из проницаемых пород, в которой приток воды больше, чем расход. Для самоизливающегося артезианского колодца (скважины) в слоистых осадочных породах необходимы следующие условия:
1) должен присутствовать водоносный горизонт, который мо¬жет содержать и поставлять воду;
2) сверху и снизу водоносный горизонт должен быть ограничен водонепроницаемыми слоями, сдерживающими воду и предотвращающими ее утечку;
3) водоносный горизонт в области питания должен размещаться гипсометрически выше, чем в местах, где расположены колодцы.
Эти требования относятся только к осадочным слоям. Некоторые артезианские воды получены из пород других типов, даже из неконсолидированных осадков, но там, где артезианские воды вскрываются колодцами и скважинами, они должны находиться под гидростатическим давлением.
Во многих случаях области питания артезианских вод находятся в десятках и даже в сотнях километров от скважин. Большинство скважин в артезианском бассейне, образованном знаменитыми песчаниками Дакота в шт. Северная и Южная Дакота, достигают глубины 300 м и более и расположены на расстоянии 250 км от области питания. Этот водоносный горизонт дает основную массу используемой в обоих штатах воды.
Хотя в ледниковых наносах артезианские колодцы не достигают и 30 м глубины, в твердых породах артезианские воды встречаются на глубинах более 1 км. Охрана подземных вод. В прошлом большинство жителей США никогда не задумывались о запасах воды. Это отношение было обусловлено достаточно высоким среднегодовым количеством осадков в густонаселенных районах и существованием крупных рек и озер внутри страны. Обычно люди мало думают о воде, как о полезном ископаемом, в котором они нуждаются, считая ее запасы неисчерпаемыми. Однако за последние несколько десятилетий в связи с увеличением численности населения и ростом потребления воды промышленностью мы стали лучше понимать, что трудности, связанные как с количеством, так и с качеством наших водных ресурсов, увеличиваются и что мы должны избавиться от расточительных и вредных привычек и придумать надежные способы сохранения запасов воды.
Для сохранения запасов подземных вод можно предпринять следующие шаги: 1) ограничить скорость откачивания
воды так, чтобы она не превышала скорости естественного притока; 2) избегать потерь, особенно за счет вытекания или просачивания из колодцев и скважин; 3) предотвращать продвижение морской воды на сушу по водоносным горизонтам, которые выходят на поверхность на дне акваторий; 4) контролировать использование водоносных горизонтов для захоронения отходов; 5) уменьшить потери за счет испарения, используя для каждого полива сельскохозяйственных культур лишь необходимое и вовремя расходуемое количество воды и изменив технологию охлаждения промышленных вод; 6) способствовать пополнению запасов воды путем искусственного подпитывания колодцев и предотвращения избыточного стока поверхностных вод; 7) возвращать обратно в грунт воду, использованную для охлаждения в промышленности и кондиционирования воздуха, и восстановленную использованную воду. Одна из главных причин потерь пресной воды - это смешивание ее со сточными и другими отработанными водами, в результате чего она становится непригодной для повторного использования. Если применять не разбавление, а другие существующие методы очистки отработанной воды, то ее можно использовать повторно, увеличив, таким образом, общее количество пригодной воды. Проблемы, связанные с подземными водами. Кроме очевидных проблем, связанных с открытием и сохранением запасов питьевой воды, использование подземных вод сопровождается рядом других сложностей. Например, при интенсивном откачивании воды из колодцев и скважин уменьшается поддерживающая сила пластового давления воды, в резуль-тате чего происходит уплотнение водоносных слоев. Это не только сокращает дебит воды, но местами приводит к проседанию поверхности земли. В долине Сан-Хоакин в шт. Калифорния такое проседание грунта рвет полотно дорог, оросительные каналы и трубопроводы, которые требуют дорогостоящего ремонта. Кое-где на морском побережье, например у острова Лонг-Айленд, на полуострове Флорида, у берегов Мексиканского залива и в других местах, подток морской воды в грунтовые воды препятствует изливанию их на дно моря, но позволяет морской воде проникать в водоносные горизонты на суше, уменьшая таким образом запасы пресной воды. Часто наблюдается понижение регионального уровня грунтовых вод на несколько десятков метров и уменьшение артезианского напора. Некоторые водоносные горизонты находятся на грани истощения. В ряде районов важной проблемой является загрязнение. Точно так же как безвредная или почти безвредная соль, которой посыпают дороги в снежные и морозные зимы, проникает в грунтовые воды, туда же попадают вредные примеси и ядовитые вещества. Загрязнение может произойти от туалетов, от зараженных поливных полей, от загонов для крупного рогатого скота и свинарников, от полей с минеральными удобрениями, от свалок мусора и «санитарных» отходов, от распыляемых ядохимикатов и отходов химических предприятий и т. д. Эту проблему приходится решать во многих районах.

Эрозионная деятельность подземных вод

Там, где в породах развиты многочисленные трещины, вода быстро проникает вниз. Если породы легко растворяются, как, например, известняки, доломиты, гипсы и каменная соль, то просачивающаяся вода постепенно расширяет трещины. На пересечении трещин с пластами легкорастворимых пород могут образоваться горизонтальные камеры значительных размеров.
Одним из наиболее достойных упоминания результатов растворения являются карстовые воронки и впадины. Карстовая воронка представляет собой впадину на поверхности земли, образовавшуюся либо в результате растворения пород без какого-либо физического их разрушения, либо за счет проседания пород над небольшими пустотами или участками пещер. Последний механизм – проседание - наиболее важен; к тому же он может привести к материальным потерям. В округе Орандж, шт. Индиана, на площади 2,5 км2 насчитывается более 1000 карстовых воронок. Иногда они настолько закупорены органическим детритом, обломками пород и почвенным материалом, что в них образуются озера. Примером может служить озеро Алачуа-Лейк во Флориде. До 1871 г. сток поверхностных вод, дренировавших прерию Алачуа, происходил через крупную карстовую воронку. В 1871 г. отверстие на дне воронки засорилось и образовалось озеро длиной 13 км и шириной 6 км. Примерно через 20 лет отверстие снова открылось, и вода из озера ушла под землю.
Формирование одной из самых больших карстовых воронок в шт. Алабама, а может быть, и на всей территории США произошло в декабре 1972 г. Жители округа Шелби, шт. Алабама, 2 декабря были испуганы грохотом, от которого задрожали дома и вслед за которым стали ломаться и падать деревья. В результате обследования местности была обнаружена карстовая воронка длиной 140 м, шириной 115 м и глубиной 50 м. Она находится в пределах площади в 16 км2, на которой развито свыше 1000 карстовых воронок и участков проседания. Коренные породы в этом районе представлены известняками и доломитами, выше которых располагается зона сильно выветрелых пород, где и происходит обрушение. Непосредственной причиной образования этой карстовой воронки было, возможно, то, что в ноябре здесь выпало очень много дождей, гораздо больше, чем обычно; кроме того, могла сказаться откачка грунтовых вод в карьерах, расположенных восточнее. Пещеры. В зонах тектонических нарушений и у поверхностей напластования, где известняки растворяются легче всего, выносится почти вся порода и остается лишь немного песка и глины. В результате этого в твердых породах с течением времени формируются узкие и широкие тоннели и полые камеры.
Наиболее интенсивное растворение происходит у зеркала грунтовых вод или непосредственно ниже его. На сводах многих пещер наблюдаются такие характерные особенности, как карманы и сложные сетчатые рисунки, которые заставляют предположить, что проходы во время их формирования были заполнены водой, размывавшей породу. Вероятно, сеть цилиндрических тоннелей, образуется в результате течения воды под напором ниже зеркала грунтовых вод. План тоннелей во многом на-поминает водоразборную систему большого города.
Наиболее крупные пещеры бывают почти горизонтальными даже при наклонном залегании пластов растворимых пород; это заставляет думать, что их положение контролируется зеркалом грунтовых вод. Породы легче всего растворяются около верхней границы зоны насыщения, потому что смешивание просачивающихся сверху вод с теми, которые находятся
внизу, всегда создает условия для дополнительного растворения карбоната кальция.
После образования главной пещеры уровень грунтовых вод может понизиться, пещера станет сухой и, возможно, даже доступной для наблюдения. Такое понижение уровня грунтовых вод обычно является результатом врезания сети местных рек, происходящего в течение длительного времени. Следовательно, образующиеся в такой последовательности пещеры могут рассказать и об истории развития подземных уровней, и об изменениях на поверхности. Считают, что примерами именно такого типа развития могут служить Карлсбадская пещера в шт. Нью-Мексико и многие пещеры шт. Миссури.
Примером системы пещер, расположенных ниже зеркала грунтовых вод, является пещера Биг-Спринг на плато Озарк, шт. Миссури, находящаяся сейчас в стадии формирования. Расход воды источника Биг-Спринг, стекающей в реку Каррент, составляет около 950 000 м3 (примерно 1 млрд. л) в сутки; в этом количестве воды содержится приблизительно 190 т растворенного вещества. Вода начала поступать под напором из заполненной доверху системы пещер, когда река Каррент, углубляя свою долину, пропилила кровлю этих пещер. Положение прежних подземных водотоков можно наблюдать в скалах над источником Биг-Спринг. Запасы воды в источнике пополняются за счет атмосферных осадков и в меньшей степени за счет просачивания из рек. Источником растворенного вещества являются известняки, через которые течет подземный поток. Через описываемую систему пещер вода будет течь до тех пор, пока долина реки Каррент не углубится ниже современного уровня главного подземного канала.
Одной из самых крупных пещер, известных на Земле, является система пещер Карлсбадского национального парка пещер в шт. Нью-Мексико. Она расположена в известняках и гипсах гор Гвадалупе. Из-за гигантского размера пещер и великолепного зрелища, которое являют собой выделившиеся из подземных вод породы и минералы, здесь в 1930 г. был организован государственный заповедник. Одна из галерей, Большой зал, достигает примерно 1200 м в длину, 190 м в ширину и около 90 м в высоту.
Из других американских пещер хорошо известна Мамонтова пещера в шт. Кентукки. Некоторые ее участки изучены подробно, другие еще никогда не исследовались. Этот обширный лабиринт состоит из нескольких сотен километров соединяющихся друг с другом галерей с подземными озерами, реками и водопадами. Высота галерей колеблется от менее чем 1 м до 30 м и больше. В некоторых местах галереи расположены одна над другой. Расширение пещеры-Маммот-Дом («Мамонтовый купол») имеет длину около 130 м, ширину 50 м и высоту от 25 до 80 м.
В некоторых районах мало что указывает на существование сети подземных коридоров. Такого рода сеть подземных проходов обнаружена около города Ханнибал в шт. Миссури (возможно, именно там заблудился Том Сойер). Длина их достигает почти 6 км, а площадь, которую они занимают, составляет не более 50 акров. Здесь есть только два свободных входа, остальные 24 входа на склонах холма завалены щебнем. В результате неполного обрушения кровли пещер могут возникать естественные мосты. Хорошим примером является мост в шт. Виргиния. Естественный тоннель в округе Скотт, шт. Виргиния, представляет собой остаток пещеры длиной 300 м, по которому в настоящее время течет река Сток-Крик и проходит Южная железная дорога.
Карст. Причудливые формы земной поверхности в местах развития карстовых воронок называются карстовым рельефом. Этот необычный тип рельефа получил свое название по плато Карст, расположенному к северо-востоку от северного побережья Адриатического моря, где хорошо развит рельеф этого типа. Сходный рельеф встречается в областях развития известняков в шт. Флорида, в центральной части шт. Теннесси, в шт. Кентукки и в некоторых местах на юге шт. Индиана.
При развитии карста склоны многочисленных воронок становятся крутыми и скалистыми. На поверхности может, кроме того, образоваться сеть многочисленных коротких овражков и ложбин, которые резко обрываются там, где поверхностные воды уходят в подземные каналы; поэтому поверхность здесь очень неровная. Постепенное растворение известняков в карстовых областях проявляется в виде карстовых воронок и впадин, из которых при их увеличении образуются карстовые долины Длительное разрушение территории, сложенной известняками, может привести к тому, что на ней останутся изолированные холмы или группы холмов, называемые скирдовидными холмами. Местность с холмами такого происхождения в Пуэрто-Рико, где они на 100 м возвышаются над окружающей равниной, носит специальное название «КокПит кантри» (Cockpit Country- место петушиных боев).