Естественные выходы подземных вод на поверхность (источники)

3.8.1. Общие сведения об источниках

Естественный выход подземных вод на земную поверхность называют источником (или родником, ключом, криницей). В сущности, источник − это естественное вскрытие подземных вод. По А. М. Овчинникову, источники можно рассматривать как своеобразные природные сооружения, из которых ве- дется откачка воды.

Количество воды, которое дает источник в единицу времени, называется

дебитом или расходом источника (л/с, м3/сут).

Происхождение источников, их химический и газовый состав, температу- ра, дебит, постоянство существования различны. Это объясняется разнообрази- ем питающих их водоносных горизонтов, различиями в геологическом строе-

нии и геоморфологии районов.

Наибольший практический интерес представляет классификация источ- ников по характеру их выхода на поверхность (гидродинамическому признаку), т. е. разделение их на нисходящие и восходящие (рис. 36).

Рис. 36. Виды источников подземных вод (по П. В. Гордееву и др., 1990):

1-5 − нисходящие источники: 1 −з

эрозионные, 2 − контактовые,3 − эрозионные

при подпоре делювием, 4 − барражные (при подпоре на глубине магматическими породами), 5 − переливающиеся; 6 − карстовые;

7 – восходящие источники

3.8.2 Нисходящие источники

Нисходящие источники образуются при естественном выходе на дневную поверхность безнапорных вод (грунтовых, трещинно-грунтовых и др.). Под- земная вода к нисходящему источнику движется сверху вниз: от области пита- ния к области дренирования, где она и выходит на поверхность. Источники это- го типа встречаются в пониженных частях рельефа (речных долинах, оврагах, балках), и в зонах контакта пород различной водопроницаемости.

Различают источники сосредоточенные, т. е. выходящие в одном месте, и рассредоточенные, когда грунтовая вода выходит в виде отдельных источников

вдоль склона оврага или речной долины.

Среди нисходящих источников для водоснабжения чаще всего использу-

ют источники карстовых и грунтовых вод.

Карстов ы е источник и образуются при выходе подземных вод из тре-

щин и полостей закарстованных пород. Дебит карстовых источников достигает огромных величин − нескольких кубических метров в секунду. Так, например, дебит источника Красный Ключ в долине р. Уфы равен 15 м3/с (в период снего- таяния 30-50 м3/с), в районе г. Гагры − 8 м3/с. Крупные карстовые источники имеются и в других карстовых районах.

Источники грунтовых вод образуются в основном эрозионным путем, т. е. при вскрытии грунтовых вод речными долинами, оврагами, балками или при подпруживании грунтового потока водоупорными породами. Дебит источ- ников грунтовых вод обычно не превышает нескольких десятков м3/ч. Этого дебита бывает достаточно для удовлетворения потребностей в воде небольших предприятий и населенных пунктов.

3.8.3. Восходящие источники

Восходящие источники образуются при выходе на поверхность напорных вод. Чаще всего они приурочены к скальным трещиноватым породам. Движе- ние воды к источникам направлено снизу вверх. Восходящий источник можно определить по колебанию в выходящей струе взвешенных песчинок, а также по выделению пузырьков воздуха и газов.

Восходящие источники являются очагами разгрузки артезианских, тре-

щинно-жильных, межмерзлотных и подмерзлотных вод.

Значительно реже встречаются восходящие карстовые источники.

Воды восходящих источников, имеющие лечебное значение, называются

баль неолог ическими или минеральными. Широко известны железистые источники Железноводска и Ижевска, углекислые источники Ессентуков, Бор-

жоми и Карловых Вар, сероводородные источники Пятигорска, Мацесты,

Цхалтубо.

Источники с температурой более 80°С (гейзеры) периодически фонтани- руют в районах молодой вулканической деятельности (Камчатка, Исландия и др.) и используются для горячего водоснабжения и отопления.

Методы оце нк и приг од ности источник ов для вод о сна б жен и я

Пригодность источников для практического использования оценивают по результатам продолжительных (не менее 1 года) наблюдений за изменением их

дебита и качества. Для водоснабжения важно знать минимальный и максималь-

ный дебиты источника, продолжительность времени с минимальными дебита-

ми, коэффициент неравномерности дебита (Кн), представляющий собой отно-

шение максимального за 1 год дебита к минимальному (табл. 10).

За расчетное значение дебита источника следует принимать минималь-

ный дебит, установленный за годовой период наблюдений.

Нисходящие источники в целом отличаются значительной изменчиво- стью дебита под влиянием метеорологических и других факторов. Исключи- тельно непостоянны дебиты карстовых источников (Кн до 500-600). Воды этих источников подвержены наибольшим колебаниям по составу и физическим свойствам (замутняемость, бактериальное и химическое загрязнение), поэтому при использовании карстовых источников для водоснабжения необходимы тщательная гидрогеологическая их оценка и строгий санитарный надзор.

Таблица 10

Классификация источников по изменчивости дебита

Восходящие источники характеризуются более или менее постоянным дебитом, химическим составом и температурой.

Забор воды из источников осуществляется с помощью капотажных со- оружений (водосборные камеры, неглубокие опускные колодцы). Прием воды из восходящих источников производится через дно капотажной камеры, а нис-

ходящих – через ее стенки. При выходе источника из рыхлых водоносных по- род в стенке или дне камеры устраивают обратный фильтр из песчано- гравийного материала.

3.9. режим и баланс подземных вод   3.9.1. Режим подземных вод в естественных условиях   Режим подземных вод – это изменение во времени их уровня, химическо- го состава, температуры и расхода. В естественных условиях для подземных вод характерен ненарушенный (естественный) режим, который формируется в основном под влиянием метео- рологических, гидрологических и геологических факторов. Метеорологические факторы (осадки, испарение, температура воздуха, атмосферное давление) − основные в формировании режима грунтовых вод. Они вызывают сезонные и годовые (многолетние) колебания уровня, а также изменения химизма, температуры и расхода грунтовых вод. Сезонные колебания уровня обусловлены неравномерностью выпадения осадков и изменениями температуры воздуха в течение года. Наиболее высокое понижение уровня приходится на периоды весеннего снеготаяния (весенний максимум) и осенних дождей (осенний максимум). Наиболее низкое положение уровня в годовом цикле отмечается в конце лета − начале осени и в конце зимы. Разность между наивысшим и наинизшим горизонтом подземных вод называют максимальной амплитудой колебания уровня. Обычно амплитуды сезонных колебаний грунтовых вод не превышают 2,5-3,0 м, а максимальные составляет 10-15 м (в долинах горных рек, сложен- ных галечниками и закарстованными известняками). Подъем уровня начинается лишь через некоторое время после выпадения осадков. Этот отрезок времени тем больше, чем меньше водопроницаемость пород и больше глубина залегания грунтовых вод Уровень грунтовых вод колеблется не только по сезонам, но и в много- летнем цикле. Многолетние кол е бания уровня связаны с ритмическими изменениями климата и приурочены к различным циклам, среди которых наи- более четко фиксируется 11-летний цикл. Амплитуды многолетних колебаний могут превышать амплитуды сезонных колебаний и достигать значительных размеров (до 8 м и более). Изучение многолетнего режима подземных вод не- обходимо для определения расчетной величины мощности водоносного гори- зонта, прогноза положения уровня на весь период длительной эксплуатации со- оружений и других инженерных расчетов. Гидрологический режим рек влияет на положение уровней подземных вод и их химизм в полосе шириной от 0,2-0,5 км (в песчано-глинистых отложениях) до 2-6 км в хорошо проницаемых породах. Колебания уровня подземных вод в речной долине с некоторым отставанием отражают колебания уровня реки. В районах морских побережий уровень грунтовых вод изменяется под действием приливов и отливов. Геологические факторы действуют на любом участке земной коры. С глубиной их значение увеличивается. Среди геологических факторов выде- ляют медленно действующие (колебательные тектонические движения, внут- ренняя теплота земного шара и др.) и эпизодические (землетрясения, вулка- низм, оползни, грязевые вулканы). В районах тектонических поднятий уровень подземных вод обычно сни- жается, так как породы лучше дренируются вследствие углубления эрозионных врезов (оврагов, долин). При опускании местности уровень грунтовых вод по- вышается. Изменяется и химизм воды. При землетрясениях появляются новые и исчезают старые источники, существенно меняется термический режим, хи- мический и газовый состав подземных вод. Вулканические явления сопровож- даются выделением огромного количества тепла, что приводит к резкому изме- нению температуры, химизма и уровня подземных вод. Изменения в режиме подземных вод часто фиксируются еще до начала землетрясения и извержения магмы, поэтому могут быть одним из критериев активизации их деятельности. Режим артезианских, карстовых и надмерзлотных вод в естественных ус- ловиях существенно отличается от режима грунтовых вод. В сравнении с грун- товыми водами уровень и химический состав артезианских вод подвержены значительно меньшим изменениям. Влияние метеорологических и гидрологи- ческих факторов существенно лишь в областях питания и разгрузки, где арте- зианские воды гидравлически связаны с грунтовыми и поверхностными вода- ми. В области напора пьезометрический уровень в скважинах колеблется под влиянием атмосферного давления, приливов и отливов, землетрясений и других факторов, вызывающих изменение упругого режима фильтрации. Резкой изменчивостью уровня, химизма и расхода отличаются карстовые воды, залегающие в верхней части карстового массива. Амплитуды колебания их уровней изменяются от 0,5 до 30 м и более, расходы карстовых источников в течение года меняются от десятков литров до десятков кубометров в секунду, изменяется химизм воды. Режим надмерзлотных вод в районах многолетней мерзлоты неустойчив и связан с интенсивностью промерзания и оттаивания мерзлых грунтов. Макси- мальные расходы надмерзлотных вод наблюдаются в период наибольшего от- таивания деятельного слоя, минимальные − в конце зимы до начала снеготая- ния. Повышение уровня надмерзлотных вод в зимний период указывает на промерзание водоносного горизонта и образование напора.   3.9.2. Режим подземных вод в условиях влияния техногенных факторов   Инженерно-строительная деятельность человека и другие техногенные причины изменяют естественные режимообразующие факторы и способствуют возникновению новых, так формируется искусственный (или нар у шенный) режим подземных вод. Деятельность человека может проявляться в повышении и в понижении уровня подземных вод, в изменении их химического состава, расхода и темпе- ратуры. Основное внимание при инженерно-геологических исследованиях уде- ляется изучению уровенного режима подземных вод. Повышению уровня подземных вод способствуют строительство водо- хранилищ и других искусственных водоемов, орошение, утечка воды из под- земных сетей водонесущих коммуникаций, промышленных бассейнов, водо- хранилищ и т. д. Под влиянием искусственных (антропогенных) факторов уровни подземных вод могут подниматься на 10-15 м и более. Особенно значительно обводняющее действие крупных водохранилищ. Так, уже через год после строительства Цимлянского водохранилища длиной 250 км и шириной до 20-30 км влияние подпора распространилось более чем на 6 км, а уровни грунтовых вод вблизи водохранилища поднялись на 5-7 м. На орошаемых площадях вследствие просачивания оросительных вод уровень грунтовых вод повсеместно повышается. Это приводит к увеличению испарения грунтовых вод и повышению их минерализации, поэтому в нашей стране запрещено проектирование оросительных систем без применения дренажа. В областях распространения лессовых пород на территориях жилых рай- онов и, особенно на участках промышленных сооружений уровень грунтовых вод с течением времени, как правило, повышается. Так, например, на террито- рии завода Ростсельмаш в Ростове-на-Дону грунтовые воды за последние 45 лет поднялись на 18-20 м. Глубина залегания зеркала от поверхности земли в ряде случаев составляет 1-3 м. Это связано с утечкой воды из водопроводных и канализационных систем, уменьшением испарения воды вследствие застройки территории и т. д. Подобное явление называется подтоплением. Понижение уровня подземных вод вызывается длительными откачками воды для водоснабжения, осушением заболоченных земель, строительным во- допонижением, дренажем и другими причинами. Чем интенсивнее работы по отбору воды из недр земли, тем на большую глубину снижаются уровни подземных вод. В ходе режимных наблюдений установлено снижение уровней в районах крупных водозаборов до 100 м и более. Техногенные факторы интенсивно воздействуют и на качество подзем- ных вод. В силу различных причин минерализация, химический и бактериоло- гический составы подземных вод с течением времени могут изменяться. В пер- вую очередь, это отражается на оценке подземных вод для питьевого водо- снабжения. Весьма специфично влияние техногенных факторов в районах многолет- ней мерзлоты. Практически любое сооружение, возводимое в этих районах (во- дохранилища, очистные сооружения и т. д.), резко изменяет температуру и влажность мерзлых грунтов и оказывает существенное влияние на режим верх- них горизонтов мерзлотных вод.   3.9.3. Баланс подземных вод   Под балансом подземных вод понимают соотношение между приходом и расходом подземных вод на данном участке за определенное время. Режим и баланс подземных вод взаимосвязаны, и если первый отражает изменение количества и качества подземных вод во времени, то второй − ре- зультат этого изменения. Баланс может составляться для крупных территорий или для отдельных участков (поля орошения и фильтрации, групповые водоза- боры и т. д.). Участки, где проводятся измерения прихода и расхода подземных вод, называют баланс овыми. С помощью баланса характеризуют водообеспеченность района и воз- можности ежегодного пополнения запасов подземных вод, изучают причины подтопления территорий, прогнозируют изменение уровня подземных вод. Для решения этих вопросов необходимы данные о составляющих балан- са: приходных и расходных.     Рис. 37. Схема баланса грунтовых вод   иРис. 18.. Схема баланса, грунтовых   Приходная часть баланса грунтовых вод под влиянием естественных ре- жимообразующих факторов слагается из следующих составляющих (рис. 37): инфильтрации атмосферных осадков (А); конденсации водяных паров (К); подземного притока (П). Подземный приток в свою очередь включает боковой приток (П), фильт- рационные поступления из поверхностных водных источников (реки, озера) (П2) и переток из нижележащего водоносного горизонта (П3). Расходная часть баланса складывается из испарения (И) и подземно- го стока (С). Испарение (И) включает расход воды за счет испарения с поверхности грунтовых вод и транспирации воды растительностью. Подземный сток (С) может быть представлен боковым оттоком (С1) и перетоком в нижележащий водоносный горизонт (С2). Балансовое уравнение грунтовых вод для данного участка за время t име- ет вид:   Δ W = А + К + П 1 + П 2 + П 3 −И −С1−С2,   где Δ W – изменение запасов грунтовых вод за время t. Если на территории участка проводились режимные наблюдения за уров- нем грунтовых вод, баланс грунтовых вод может быть выражен уравнением:   μΔh = А + К + П −И −С,   где Δ h – среднее изменение уровня за время t; μ – коэффициент водоотдачи (при Δ h с минусом) и недостаток насы- щения (при Δ h с плюсом). Величина μΔh изменяется по сезонам и в многолетнем цикле. Она может быть положительной при подъеме уровня грунтовых вод и отрицательной при его опускании. На балансовом участке могут быть выражены не все составляющие. Так, например, при глубоком залегании грунтовых вод из балансового уравнения исключается испарение (И), а при отсутствии перетока воды через водоупор − члены С2 и П 3. В условиях искусственного (нарушенного) режима подземных вод в ба- лансовое уравнение грунтовых вод вводятся расходы на водоснабжение (В), расходы в дренажи (Д), фильтрация из оросительных каналов (Фк) и другие составляющие. Превышение прихода подземных вод над расходом может вы- звать подтопление территории, при обратном соотношении составляющих ба- ланса − ее осушение. Изучая баланс крупной территории или любого другого участка, можно регулировать режим подземных вод в нужном направлении. Для решения балансовых уравнений применяют экспериментальные и расчетные методы. В первом случае все основные статьи баланса подземных вод определяют непосредственным измерением, во втором − их рассчитывают на основе режимных наблюдений, используя уравнения неустановившегося движения в конечных разностях (метод Г. Н. Каменского) [9].