При наличии источников питания залегание подземных вод в земной коре в значительной мере определяется геологическим строением местности: структурой и литологическим составом гор­ных пород. Чередование водопроницаемых и водоупорных пород создает условия для накопления свободных вод в толще водопроницаемых горных пород, залегающих на водоупорах.

В этих условиях на различных глубинах от поверхности земли формируются водоносные слои, или водоносные горизонты - насыщенные водой водопроницаемые слои гор­ных пород.

Вода может заполнять не всю толщу водопроницаемого слоя породы, а лишь до определенной поверхности. Если при вскрытии водоносного горизонта колодцем, шурфом или сква­жиной вода в них устанавливается на том же уровне, на котором она находится в породе, то эта уровенная поверхность является свобод­ной (безнапорной) и носит название зеркала или уровня под­земных вод.

Многие водоносные горизонты обладают со свободной поверхностью.

Свободная поверхность подземных вод не может быть идеально ровной. Над ней поднимаются капиллярные воды, увлажняющие до некоторой высоты вышерасположенный слой водоносной породы, называемый капиллярной каймой, которая гидравлически связана со всей остальной водной массой водоносного слоя и испы­тывает такие же колебания, как и уровень подземной воды. Высота капиллярной каймы над зеркалом подземных вод зависит от свойств водоносной породы и меняется в широких пределах: от нескольких сантиметров в грубозернистых песках до 4 м и более в суглинистых породах. Расстояние по вертикали от водоупорного ложа до зеркала подземных вод называется мощностью водоносного слоя.

При вскрытии водоносного пласта, перекрытого сверху водоупор­ной породой, уровень в скважине может установиться выше нижней поверхности водоупорного пласта. В этом случае воды, заполняю­щие водопроницаемую породу, находятся под гидростатическим на­пором, а водоносный горизонт называется напорным водонос­ным горизонтом.

Водообильность водоносных слоев, свойства вод и условия их передвижения различны и определяются, помимо геологической струк­туры и литологического состава, глубиной залегания и степенью изолированности водоносных горизонтов друг от друга и от поверх­ности земли.

Чем ближе подземные воды залегают к поверхности, тем значительнее они подвергаются воздействию климатических факторов и тем интенсивнее водообмен между подземными, почвен­ными и поверхностными водами.

Верхнюю часть земной коры в отношении распределения в ней подземных вод принято делить на две зоны: зону аэрации и зону насыщения.

В зоне аэрации вода обычно не заполняет полностью поры и пустоты породы, а если и заполняет, то временно и не везде. В этой зоне непосредственно у поверхности земли в почвах зале­гают почвенные воды.

В зоне насыщения поры породы заполнены водой и на различных глубинах в ней залегают грунтовые, межпла­стовые безнапорные и напорные воды. Подземные воды по степени подвижности и интенсивности водообмена с поверхностными водами (рек, озер, болот) различны. Наиболее подвижны воды зоны активного водообмена. Нижняя граница этой зоны на­мечается гидрогеологами на уровне базиса эрозии малых и средних рек. В этой зоне формируются грунтовые и межпластовые воды, без­напорные или с местным напором. Эти воды, дренируемые речными долинами и озерными котловинами, являются источником питания рек и озер и представляют собой наиболее устойчивую, зарегулиро­ванную часть речного стока.

Глубже расположены воды замедленного и весьма замедленного водообмена. В них формируются, как правило, напорные (артезианские) воды. Связь их с поверхностными водами затруднена и есте­ственный выход на земную поверхность, особенно вод зоны весьма замедленного водообмена, представляет собой редкое явление.

Вода в почве

Вода в почве находится в основном в связанном состоянии. Она удерживается на поверхности почвенных частиц и перемещается в по­чве под влиянием молекулярных и капиллярных сил. В местах избы­точного увлажнения в почве может находиться и свободная, проса­чивающаяся гравитационная вода. Встретив на своем пути водо­упорный или относительно водоупорный слой в пределах почвенного разреза или в подпочвенном слое ниже границы корнеобитаемого слоя, вода накапливается, заполняет поровое пространство вы­шележащего слоя и образует так называемый горизонт грави­тационной подпертой влаги.

Если эти воды находятся целиком в почвенном слое и не имеют гидравлической связи с ниже­расположенными грунтовыми водами, они называются почвен­ными водами. Почвенные воды почти всегда являются временными. Они обра­зуются обычно весной, в отдельных местах осенью, при просачива­нии талых или дождевых вод. В степных районах они распростра­нены не повсеместно, чаще встречаются под «степными блюдцами», лесными полосами и в поймах рек.

Если эти воды гидравлически связаны с грунто­выми водами (постоянно или временно), они называются почвенно-грунтовыми. Почвенно-грунтовые воды ши­роко распространены в зоне избыточного увлажнения, где уровень грунтовых вод расположен близко к поверхности и иногда дости­гает ее, способствуя процессу заболачивания.

Иногда почвенные и почвенно-грунтовые воды называют верховодкой. К верховодке также относят спорадические, распространенные, вре­менные, обычно сезонные скопления грунтовых вод в зоне аэрации, расположенные в виде отдельных линз.

Почвенные воды, так же как и грунтовые, приобре­тают свойство гидростатической сплошности, способны передавать гидростатическое давление и вытекать из стенки естественного или искусственного разреза, а также стекать по уклону водоупорного слоя. Такое движение в почвенном слое называют внутрипочвенным стоком.

В теплую часть года, особенно в период вегетации, вода из почвы интенсивно расходуется на испарение и главные образом на транспирацию растениями. К концу лета запасы влаги в почве стано­вятся ограниченными, а сама влага порой недоступной для ра­стений.

Грунтовые и межпластовые безнапорные воды

Грунтовыми водами в узком понимании этого определе­ния называют свободные гравитационные воды водоносного гори­зонта, залегающего на первом водоупорном слое.

В зависимости от характера залегания горных пород различают грунтовой поток и грунтовой бассейн (Рис. 3). В природе наблюдаются различные сочетания этих разновидностей залегания.

Рис. 3. Схема залегания грунто­вых вод:

а — грунтовой поток, б — грунтовой бассейн.

Воды, залегающие в водопроницаемой толще пород, заключен­ной между двумя водоупорными слоями, называют межпластовыми водами. Верхний водоупорный слой в этом случае назы­вается водоупорной кровлей, а нижний — водоупорным ложем. Грунтовые воды имеют обычно свободную уровенную поверхность. Свободную поверхность имеют и межпластовые воды, в том случае, если они безнапорные или если водоносная порода насыщена водой непол­ностью.

Скопления подземных вод отмечаются как в рыхлых обломоч­ных породах, так и в трещиноватых массивных изверженных или сильно метаморфизированных оса­дочных породах. В первом случае воды относятся к типу пласто­вых вод. Они обычно равномер­но распределены по всему пласту и движение их осуществляется по мелким порам и пустотам между зернами, слагающими породу. Во втором случае воды называются трещинно-жильными. Рас­пространение их и движение при­урочено к трещинам и крупным пу­стотам. Не всегда можно четко раз­граничить пластовые воды и трещинные, поэтому различают трещинно-пластовые воды.

Площадь распространения грунтовых вод, за редким исключе­нием, совпадает с площадью их питания, т. е. с областью, в преде­лах которой воды атмосферных осадков проникают в почву и грунт и могут пополнять запасы грунтовых вод. Площадь распростране­ния межпластовых вод не совпадает с областью их питания. Основ­ные области питания этих вод приурочены к местам выходов водо­носной породы на земную поверхность. Дополнительное питание межпластовые воды получают за счет просачивания вод из вышерасположенных водоносных горизонтов через относительные водоупоры.

Грунтовые воды формируются:

- на междуречных массивах,

- в аллювиальных отложениях речных долин,

- в предгорных конусах вы­носа;

- в областях ледниковых отложений,

- в межгорных впадинах и котловинах,

- в местах накопле­ния песчано-галечных отложений горных рек,

- в областях распро­странения карста.

В естественных условиях зеркало грунтовых вод представляет собой обычно не горизонтальную поверхность, а волнистую и весьма часто в сглаженной форме повторяет наземный рельеф. Это объяс­няется различными причинами: неоднородностью пород в отноше­нии проницаемости как в зоне аэрации, так и в зоне насыщения, различной скоростью просачивания и различными условиями пита­ния грунтовых вод и выхода их на поверхность в местах пересе­чения водоносного пласта долинами рек, оврагов и т. п. К месту вы­хода грунтовых вод на поверхность уровень их понижается. Такое понижение уровня наблюдается и у межпластовых безнапорных вод.

Глубина залегания грунтовых вод может быть различной: от де­сятков метров до 1-2 м. В последнем случае они обычно в весен­ний период смыкаются с почвенными водами и образуют, как гово­рилось выше, почвенно-грунтовые воды. Разновидностью последних являются болотные грунтовые воды, зеркало которых находится в пределах торфяной залежи.

Безнапорные межпластовые воды (Рис. 4) обычно приурочены к водонос­ным толщам значительной мощности, прорезаемым гидрографиче­ской сетью. Эти воды залегают, как правило, неглубоко. Речные долины иногда прорезают несколько ярусов межпластовых вод. В этом случае в местах дренирования на разных уровнях склона долины (котловины) воды выходят на поверхность и являются устойчивыми источниками питания поверхностных водотоков и во­доемов.

Рис. 4. Схема залегания подземных вод: 1 – верховодка; 2 – межпластовые

безнапорные воды; 3 – грунтовые воды; 4 – межпластовые напорные

воды; 5 - поверхностный водоем.

Напорные воды (Рис. 4)

Напорные воды (артезианские под­земные воды) - воды, насыщающие водопроницаемый слой, заключенный между водоупорными породами, и обладающие гидростатическим напором.

Напорные воды обычно приурочены к гео­логическим структурам осадочных пород при соответствующем на­пластовании водопроницаемых и водоупорных слоев или к сложной системе тектонических трещин и сбросов.

Геологическая структура (впадина, мульда, синклиналь, моноклиналь и т. п.), содержащая один или несколько водоносных горизонтов и обеспечивающая на­пор в них, называется артезианским бассейном.

В арте­зианском бассейне обычно выделяют:

- область питания,

- область на­пора,

- в некоторых случаях область стока (разгрузки) напорных вод.

Площади, занимаемые артезианскими бассейнами, колеб­лются в очень широких пределах.

При вскрытии кровли напорного водоносного горизонта буровой скважиной вода под гидростатическим давлением поднимается выше кровли водоносного пласта и иногда достигает поверхности земли или даже фонтанирует (Рис. 5).

В напорном водоносном го­ризонте, таким образом, выделяют геометрический уровень, совпа­дающий с нижней поверхностью водоупорной кровли водоносного слоя, и гидростатический, или пьезометрический уровень, совпа­дающий с уровнем подъема воды в скважинах. Напор в каждой точке водоносной породы измеряется высотой, на которую подни­мается вода в скважине над нижней поверхностью водоупорной кровли при вскрытии водоносного пласта. По мере погружения пла­ста напор обыкновенно увеличивается.

Рис. 5. Схема строения артезианского бассейна.

1 - водонепроницаемые породы; 2 - напорный водонос­ный слой; 3,4 - скважины; 5 - направление потока; ВС - пьезометрический уровень, BNC — нижняя поверхность водо­упорной кровли, Н₁, Н₂: — высота напора.

Движение подземных вод

1. Просачивание воды в почву

Впитывание, или инфильтрация, — процесс проникно­вения влаги в почву. Передвижение ее от слоя к слою в условиях различной степени насыщения водой нижерасположенных горизон­тов почво-грунтов относится к процессу просачивания. Процесс этот сложный и состоит из нескольких стадий.

Чаще выделяют две ста­дии: впитывания и фильтрации. Вода атмосферных осадков, попа­дая на сухую почву, в начальный момент подвергается действию сорбционных и капиллярных сил и интенсивно поглощается поверх­ностью почвенных частиц. Постепенно поры малого сечения запол­няются и движение воды в стадии впитывания осуществляется в виде пленочного и капиллярного перемещения. При полном насы­щении всех пор движение воды в стадии фильтрации происходит под преобладающим действием силы тяжести и характеризуется за­коном ламинарного движения. В почво-грунтах всегда имеются крупные пустоты, трещины, ходы корневой системы расте­ний, по которым вода с поверхности почвы в форме капельно-струйчатого (турбулентного) движения может проникать на ту или иную глубину. Этот процесс называют инфлюацией. Соотношение между всеми формами движения меняется в широких пределах в зависимости от влажности почво-грунтов, их механического со­става, культурной обработки, наличия воздушных пробок и т. п.

Количественные характеристиками впитывания, или инфиль­трации:

- интенсивность впитывания - количество воды в миллиметрах слоя, поглощенной почвой в единицу времени (мм/мин).

- суммарная величина впитывания - слой воды, поглощенной почвой за некоторый промежуток времени, выражается в мм.

Интенсивность впитывания зависит не только от водных свойств почво-грунтов, но в значительной степени определяется и их влаж­ностью. Если почва сухая, она обладает большой инфильтрационной способностью и в первый период времени после начала дождя интенсивность впитывания близка к интенсивности дождя. С уве­личением влажности почво-грунтов интенсивность инфильтрации по­степенно уменьшается и при достижении полной влагоемкости в ста­дии фильтрации становится постоянной, равной коэффициенту фильтрации данного почво-грунта.

Впитывание воды происходит и в мерзлую почву во время снеготаяния, но такое состояние почвы существенно замедляет процесс инфильтрации и фильтрации. При этом интенсивность процесса за­висит от начальной влажности перед замерзанием.

2. Передвижение воды в водоносных слоях со свободной поверхностью.

Формула Дарси

В природе существуют два вида движения воды:

1. Ламинарное свойственно движению воды в мелкозернистых породах. Скорости движения в них невелики и из­меряются метрами или даже сантиметрами в сутки.

2. Турбулентное – в круп­нообломочных и трещиноватых породах, где скорости движения воды значительно больше.