ПОДЗЕМНЫЕ ВОДЫ

ПОДЗЕМНЫЕ ВОДЫ, в широком смысле - воды, находящиеся под поверхностью земли. П. в. встречаются в жидком, газообразном и твёрдом состоянии, постоянно находясь в движении и изменении, переходя из одного состояния в другое. П. в. заполняют поры, трещины и пустоты в почвах, грунтах и горных породах. Различают почвенные воды (см. Водный режим почвы) и собственно подземные воды. Почвенные воды находятся в толще современной почвы, т. е. в слое накопления и разложения органического вещества, а собственно подземные воды в глубоко расположенных пластах грунтов и горных пород. П. в. преимущественно находятся в более проницаемых "водоносных" пластах, хотя они заполняют всю толщу и менее проницаемых пород. П. в. ближайшего к поверхности земли водоносного горизонта называют грунтовыми водами. Иногда (сев. районы, низины) грунтовые воды, подходя близко к поверхности земли, смыкаются непосредственно с почвенными водами, но в большинстве случаев они разделены областью частично насыщенных водой пород с малой влажностью. Когда в результате превышения питания П. в. с поверхности земли над их оттоком (весеннее снеготаяние, затяжные осенние дожди) образуется обычно над плохо проницаемой прослойкой породы непостоянное скопление или поток П. в., его называют верховодкой (грунтовых или почвенных вод). Если в поток П. в. врезать шурф или колодец, то они втекают в него. Горизонт воды в колодце м. б. ниже поверхности П. в., тогда считают, что П. в. имеют "свободную поверхность". Если горизонт воды в колодце или скважине поднимается выше их поверхности, П. в. называют напорными. Более глубокие пласты напорных П. в. называют артезианскими водами; их напор иногда бывает так велик, что они могут самоизливаться из скважины на поверхность земли. Напорные П. в., находясь в более водопроницаемом пласте, перекрыты сверху менее проницаемыми породами, а область питания их расположена выше области их скопления. П. в., сравнительно быстро передвигающиеся, называют потоками П. в., а скопление менее подвижных или стоячих П. в. называют бассейнами подземных вод.

Европ. территория СССР имеет неск. крупных бассейнов напорных П. в., вода к-рых используется для народного х-ва (Московский каменноугольный, Южнорусский и др.). Артезианские воды носят названия тех водоносных пластов, в которых они передвигаются (кембрийские, силурийские, девонские, каменноугольные и т. д.). В ряде районов СССР (к Ю. от Тулы, к Ю. от Архангельска, к З. от Свердловска и Челябинска, на Кавказе, в Крыму и в других р-нах) встречаются т. н. карстовые подземные воды, к-рые продвигаются в крупных пустотах (пещерах, подземных каналах), образовавшихся от выщелачивания растворимых горных пород (известняки, доломиты, гипс). "Закарстованные" р-ны изобилуют воронками, озёрами, прогалами, оседаниями поверхности. Минеральными подземными водами называются глубинные П. в., имеющие целебные свойства (Северокавказские минеральные воды, Боржоми, Цхалтубо, Забайкалье, Дальний Восток и др.). Грунтовые воды, являясь поверхностным граничным слоем всей массы П. в., непосредственно участвуют в процессах, происходящих на поверхности земли, и, постоянно находясь в движении и изменении, легче поддаются управлению.

Состав подземных вод характеризует их происхождение и служит показателем пригодности для использования П. в. в целях производства (см. Вода), а также для оценки участия П. в. в почвообразовательном процессе. Передвигаясь по горным породам и почвам, П. в. участвуют в геологических процессах (растворение минеральных соединений и вынос их в области накопления, участие в построении минеральных тел), а грунтовые воды в почвообразовательном процессе (промывание "элювиальных" почв водоразделов, перемещение растворённых грунтовой водой веществ в низины, питание водой р-ний и микроорганизмов). Обычно с увеличением глубины залегания П. в. повышается их минерализация. По содержанию минеральных соединений различают П. в. гидрокарбонатные, гидро-карбонатно-сульфатные, сульфатные, сульфатно-хлоридные и хлоридные. По степени минерализации П. в. разделяются на пресные воды, с содержанием до 1 г растворённых веществ в 1 л воды, солёные - от 1 до 50 г на 1 л, и рассолы - более 50 г на 1 л. В подземных водах могут содержаться вредные примеси органических соединений или продуктов их распада. П. в. всегда содержат газы, к-рых особенно много в минеральных глубинных водах (углекислота и др.).

О происхождении подземных вод существовали след. гипотезы: 1) П. в. произошли от скопления атмосферных осадков; 2) от конденсации в почве водяных паров, проникающих из атмосферы; 3) от сгущения в глубоких пластах земли паров воды, выделяющихся из магмы при её охлаждении ("ювенильные" - девственные воды). Трудами отечественных учёных Лебедева, Вернадского, Саваренского и др. установлено, что образование П. в. идёт всеми тремя путями, причём для каждого конкретного места и времени главным источником образования П. в. является какой-либо один из них.

Значение подземных вод для с. х-ва определяется: 1) ролью П. в. в водном режиме страны и преобразовании неблагоприятных естественных условий; 2) участием П. в. в почвообразовательном процессе; 3) использованием П. в. для с.-х. водоснабжения и орошения. При чрезмерно высоком стоянии П. в. могут оказывать отрицательное влияние на с.-х. производство (см. Подтопление). Таким образом, П. в. могут приносить как пользу, так и вред для с. х-ва, и задача состоит в использовании П. в. и управлении их режимом. Режим П. в. во многом зависит от взаимоотношения скелета почво-грунта, воды и воздуха в нём. Вода в грунте или почве находится под действием связей: 1) со скелетом грунта; 2) с воздухом и 3) с соседними частицами воды; кроме того, на воду действует сила тяжести.

Движение воды через грунт при полном заполнении грунта водой и отсутствии воздуха в нём называют фильтрацией, к-рую подсчитывают по след. формуле:

где Q - расход потока грунтовых вод в м³/сутки; F - площадь поперечного к направлению потока сечения грунта в м² (включая и поры и скелет грунта); I - гидравлический уклон, т. е. падение поверхности грунтовых вод (свободных) на единицу длины вдоль потока; для напорных грунтовых вод уклон принимается равным уклону линии, проходящей через центры поверхностей воды в скважинах; к - коэф-т фильтрации, отражающий потери на трение частиц воды друг о друга и сцепление с частицами грунта. Величины к для различных грунтов приведены в таблице.

Коэффициент фильтрации для различных грунтов

Надёжные значения коэф-та фильтрации должны быть получены полевыми исследованиями.

Зная среднюю глубину потока грунтовых вод, коэф-т фильтрации и уклон потока, можно определить расход потока грунтовых вод; это бывает нужно для определения его возможного каптажа (см. Каптаж), оценки роли грунтовых вод в водном балансе земельных массивов или в питании реки П. в. В теории фильтрации, разработанной в основном отечественными учёными, рассматривается движение грунтовых вод, гл. обр., в связи со строительством гидротехнических и мелиоративных сооружений. При неполном насыщении грунта водой, помимо связей воды со скелетом грунта (см. Водный режим почвы), действуют связи воды и воздуха по поверхности их раздела внутри грунта, в результате чего возникает свободная поверхностная энергия, причём разность давления Р внутри жидкости и в воздухе равна:

где α - поверхностное натяжение на границе вода - воздух (при темп-ре 10°, α=75 дин/ам); δS - изменение свободной поверхности раздела вода - воздух внутри грунта; δV - изменение влажности грунта. Так как в пористой среде при увеличении влажности свободная поверхность уменьшается, то разность давлений всегда отрицательна, т. е. внутри жидкости при неполном насыщении грунта водой имеется давление меньше атмосферного, чем объясняются так наз. "всасывающая" сила почвогрунтор, "капиллярное поднятие" и др. явления. При малых влажностях изменение поверхности воды происходит очень быстро и вакуум выше, чем при больших влажностях; он совершенно пропадает, когда ликвидируется свободная поверхность, т. е. при полном насыщении. При частичном насыщении почвогрунтов, если действие сил тяжести невелико, то; 1) влага в почвогрунтах передвигается от мест более влажных к местам менее влажным, пока влажность почвогрунтов не выравняется; 2) в мелкодисперсных грунтах вакуум выше, т. к. в них сильно развита свободная поверхность; 3) в почве с мелкокомковатой структурой вакуум невелик, т. к. комки, слепленные активным перегноем, имеют незначительную активную свободную поверхность; запасы влаги внутри комков прочные. Поверхностное натяжение увеличивается с понижением темп-ры, отчего движение влаги при неполном, но не слишком малом насыщении происходит в сторону от тёплых к холодным слоям почвогрунтов.

При малых влажностях почвогрунтов движение влаги в жидкой фазе уже незначительно, ввиду резкого падения водопроницаемости с уменьшением влажности (сильное увеличение сопротивления движению) и в силу связанности воды со скелетом грунта. Для нек-рых глин количество связанной воды так велико, что она заполняет все поры, отчего в них поверхностные силы не могут развиться и, напр., капиллярного поднятия не наблюдается совершенно. Для сравнительно сухих почвогрунтов, ввиду связанности жидкой влаги со скелетом грунта значительными силами, передвижение влаги в основном происходит в парообразной форме - из области с большим давлением пара в область с меньшим давлением. Давление пара внутри почвогрунтов повышается с увеличением темп-ры и влажности почвогрунтов, поэтому парообразное передвижение влаги идёт от тёплых влажных слоев почвогрунта к холодным сухим. Так. обр., при передвижении влаги в почвогрунтах при полном насыщении главную роль играют силы тяжести, при средних влажностях - поверхностные силы, возникающие на поверхности раздела вода - воздух, и силы тяжести; при малых влажностях передвижение влаги происходит в основном в форме пара, причём главную роль играет тепловой режим.

Режим подземных вод зависит от геологического строения, рельефа местности, климатических факторов (осадки, испарение, атмосферное давление, темп-pa и влажность воздуха) и от хоз. деятельности (см. Гидротехнические сооружения, Водохранилище, Орошение, Осушение). При с.-х. водоснабжении необходимо знать режим П. в.: запасы П. в., расходы потока П. в., обеспеченность расхода водозабора сооружений - колодцев (см. Колодец, Каптаж, Кяризы). Эти вопросы изучает гидрогеология. Водный режим почв тесно связан с режимом грунтовых вод. Основными показателями связи грунтовых вод с влажностью почв являются: 1) глубина поверхности грунтовых вод от поверхности земли и изменение этой глубины во времени; 2) условия питания грунтовых вод (приток со стороны, просачивание, питание из рек и водоёмов); 3) состав грунтовых вод, гл. обр. степень их минерализации.

Т. к. режим грунтовых вод формируется природными условиями и человеческой деятельностью, то для территории СССР различают типы режима грунтовых вод, характерные для основных естественно-исторических зон СССР - режим грунтовых вод области распространения вечной мерзлоты (см.), лесной, лесостепной, степной, сухостепной, пустынно-степной и пустынной зон. Для с. х-ва существенно знать не только режим грунтовых вод, но и способы управления режимом грунтовых вод (см.) с тем, чтобы изменять неблагоприятный режим грунтовых вод в нужном для с. х-ва направлении.

С. Аверьянов

Литература: Измаильский А., Избранные сочинения, М., 1949; Лебедев А., Почвенные и грунтовые воды, 4 изд., М.-Л., 1936; Саваренский Ф., Гидрогеология, М.-Л., 1939; Справочник по мелиорации и гидротехнике, т. I, M.-Л., 1934, стр. 425 - 48. См. также Водный режим почвы, Орошение, Осушение.

Источники:

1. Сельскохозяйственная энциклопедия. Т. 4 (П - С)/ Ред. коллегия: П. П. Лобанов (глав ред) [и др.]. Издание третье, переработанное - М., Государственное издательство сельскохозяйственной литературы, М. 1955, с. 670