Уровни подземных вод, замеряемые в скважинах и колодцах, наносят на различные карты и графики; из них наиболее распространены следующие: карты изолиний уровня подземных вод (карты гидроизогипс и гидроизопьез),. карты изменения уровня подземных вод, глубин залегания подземных вод, гидрогеологические профили и гидрографы скважин (графики колебания уровня воды в скважинах). Если хорошо известны расположение скважин и границы водоносного горизонта, то по имеющимся данным составляют карту гидроизопьез или карту гидроизогипс, которые можно назвать потенциометрическими. Уровень, до которого поднимается вода в артезианских скважинах, т. е. скважинах, вскрывающих напорные воды, определяет пьезометрическую поверхность; эта поверхность может быть выше или ниже поверхности земли. Если пьезометрическая поверхность выше поверхности земли, обсадные трубы артезианской скважины должны оканчиваться выше пьезометрической поверхности. Строго говоря, слово «пьезометрический» означает «измеряющий давление», но пьезометрическая поверхность определяется как давлением воды, так и высотой положения водоносного горизонта. Следовательно, термин пьезометрическая поверхность несколько неопределенен. Если в настоящих безнапорных условиях с помощью скважин определен уровень грунтовых вод, составляют карту гидроизогипс. Силовой потенциал, вызывающий движение подземных вод, прямо пропорционален высоте уровней воды в скважинах, пробуренных как в напорных, так и безнапорных водоносных горизонтах. Поэтому карты уровней подземных вод лучше называть потенциометрическими, т. е. характеризующими единую систему потока в водоносном горизонте.
Главное направление движения подземных вод можно показать на картах гидроизогипс и картах гидроизопьез. На первой из них точки с одинаковыми высотами свободной поверхности подземных вод соединены линиями, по расположению которых можно судить о наклоне свободной поверхности. Если гидравлический градиент менее 0,01, а водопроводимость горизонта более или менее постоянна, можно сказать, что свободная поверхность подземных вод представляет собой потенциометрическую поверхность воды в пределах водоносного горизонта. Поскольку поток в таком водоносном горизонте почти горизонтален, можно построить его гидродинамическую сетку, используя гидроизогипсы в качестве эквипотенциальных линий и проведя линии тока перпендикулярно гидроизогипсам (рис. 2.12). Гидродинамическую сетку используют для отыскания очагов питания или разгрузки и для количественной оценки потока подземных вод. На рис. 2.12 показана карта гидроизогипс, на которой видны особенности движения безнапорных подземных вод, обусловленные геологическим строением бассейна и гидрологическими факторами.
Район А (рис. 2.12) — область питания водоносного горизонта, расположенная в пределах конуса выноса. Глубина до воды здесь 80 футов. В этом мосте река постоянно теряет воду в проницаемое ложе. Реки, имеющие такую связь со свободной поверхностью подземных вод, называются дренируемыми. И точке Б уровень воды в реке совпадает с уровнем свободной поверхности подземных вод. В этой точке гидроизогипса нормальна к линии русла реки, что объясняется отсутствием оттока воды из реки. Следовательно, вблизи точки Б линии тока касательны к направлению течения реки. В точке В уровень воды в реке ниже уровня подземных вод, и здесь они пополняют року, называемую в этом случае дренирующей. В точке Е река все еще питается подземными водами, но значительная часть их уже сдренировалась в реку до этого пункта, поэтому гидроизогипсы далее вниз по течению так резко не изгибаются. В точке /"ведется откачка большой производительности. Здесь уровень подземных вод упал на 20 футов ниже уровня в точке Б. Спустя короткое время в результате откачки в точке Г уровень подземных вод еще больше понизится, и в точке Б река будет питать подземные воды. В районе Д происходит пополнение водоносного горизонта. Здесь избытки оросительных под образовали купол, превышающий уровень реки в точке Б на 10 футов. В районах Ж и З река течет в водонепроницаемом русле. Разность расходов реки в точках Ж и 3 равна прибыли или убыли воды в бассейне подземных вод. Ошибки в построении карт гидроизогипс связаны с чисто механической экстраполяцией результатов замеров уровней воды. Гидроизогипсу можно ошибочно провести даже выше поверхности земли (рис. 2.13, а). Нельзя также игнорировать особенности геологического строения картируемого района (рис. 2.13, б).
Рис. 2.12. Карта гидроизогипс малого гипотетического бассейна грунтовых вод.
Если водоносный горизонт однородный и изотропный и уклон свободной поверхности подземных вод небольшой, эта карта может быть полезна для построения гидродинамической сетки. Проведено несколько линий тока, схождение которых свидетельствует о различной водопроводимости водоносного горизонта.
Карты глубин залегания додземных вод используются для установления районов, где возможны потери подземных вод на суммарное испарение и для определения приблизительных глубин проходки скважин. На рис. 2.14 в районе Ε подземные воды расходуются на суммарное испарение.
Ошибки при составлении карт гидроизопьез обычно происходят от неумения установить уровни воды разных водоносных горизонтов, что вызвано незнанием разреза буровых скважин (рис. 2.15). Если картируемый район сложен в стратиграфическом или тектоническом отношении, необходимо максимально учитывать геологические данные. Обычно действие теологических факторов проявляется лишь после начала эксплуатации водоносного горизонта. В начальных условиях медленного движения подземных вод уровни воды изменяются незначительно при пересечении слабоводопроницаемых границ. В ходе эксплуатации водоносного горизонта зоны низкой проницаемости вызывают заметные различия в высотах уровня подземных вод.
Рис. 2.13. Ошибки, часто встречающиеся при составлении карт гидроизогипс: а — участок с понижением (озеро); б — участок в зоне разрывного смешения.
Как правило, пьезометрическая поверхность гораздо ровнее свободной поверхности подземных вод. Разгрузка водоносного горизонта через скважины или источники быстро сказывается на всей большой площади напорного водоносного горизонта. Например, ощутимое понижение пьезометрической поверхности вокруг скважины, из которой производится откачка, может распространиться менее чем за 30 сек на расстояние более 1 мили, а подобное понижение уровня воды вокруг скважины, пройденной в безнапорном водоносном горизонте,— лишь в течение нескольких месяцев.
Карты колебания уровня подземных вод составляются по данным об изменении уровня воды в скважинах за определенный период времени.
Рис. 2.14. Карта глубин залегания подземных вод в бассейне, изображенном на рис. 2.12
Если этот период небольшой, используют данные по одним ж тем же скважинам, Если наблюдения продолжительные, в некоторых районах невозможно использовать одни и те же скважины вследствие их довольно быстрого выхода из строя. В этом случае карты гидроизогипс для сравниваемых лет рекомендуется составлять на кальке. Карты накладывают одна на другую и на пересечениях гидроизогипс отмечают изменения уровней. Затем полученные величины переносят на чистый лист бумаги и проводят линии равного изменения уровня воды (рис. 2.16).
Рис. 2.15. Наблюдательные скважины в двух водоносных горизонтах с различными напорами. Если неизвестен разрез скважин, правильно определить положение уровней воды невозможно.
Карту колебания уровня подземных вод можно использовать для вычисления изменения объема насыщенной части безнапорного водоносного горизонта. Объем дренированных пород делят на объем откачанной воды и получают удельную водоотдачу осушаемых пород. Например, если из 15·106 куб. футов породы откачано 5·106 куб. футов воды, средняя удельная водоотдача будет 33%.
Карты колебания уровня подземных вод также применяются для оценки местных очагов питания и разгрузки в виде ярковыраженных аномалий. Обычно такие очаги трудно обнаружить на карте гидроизогипс по отклонениям последних. На карте колебания уровня подземных вод (рис. 2.16) очаг питания выражен в виде хорошо оконтуренной круговой области.
Графики колебания уровня воды в скважинах строят по данным измерений уровня воды с помощью лент, покрытых мелом, электроуровнемеров, пневматических и акустических уровнемеров (рис. 2.17). Данные об уровнях, полученные автоматическими приборами, обрабатываются на быстродействующих электронных информационных машинах.
Рис. 2.16. Составление карты колебания уровня подземных вод путем наложения карт гидроизогипс.
График колебаний уровня воды в скважине — один из наиболее эффективных способов регистрации гидрогеологической информации. По данным многолетних наблюдений можно судить о производительности водоносного горизонта и размерах его питания. Сведения о кратковременных изменениях уровня воды с амплитудами менее 1/10 фута дают возможность уяснить механические свойства пород, служащих кровлей водоносного горизонта, а также характер связи между водоносным горизонтом и атмосферой. По наблюдениям больших изменений уровня воды, вызванных откачкой, можно судить о границах и водоотдаче водоносного горизонта.
Изменения уровня подземных вод можно подразделить на четыре основных типа: 1) в результате изменения запасов подземных вод; 2) действия атмосферного давления на поверхность воды в скважине; 3) деформации водоносного горизонта и 4) различных нарушений работы скважины. Причиной небольших колебаний уровня воды также могут служить химические или термальные изменения в скважинах или около них.
Изменения уровня подземных вод в значительной степени происходят вследствие изменений в запасах водоносного горизонта. Естественные факторы, такие, как питание или разгрузка, обычно вызывают постепенные изменения уровня подземных вод. Вблизи речных русел запасы подземных вод могут изменяться довольно быстро. В паводочный период запасы водоносного горизонта, связанного с рекой, резко увеличиваются, а уровни подземных вод быстро повышаются. На рис. 2.18, а показано влияние изменения уровня воды в реке на уровень воды в скважине. На рис. 2.18, б можно видеть влияние на уровень подземных вод длительных изменений запасов подземных вод, вызванных естественной разгрузкой водоносного горизонта. Резкие колебания уровня подземных вод, измеряемые несколькими футами, происходят главным образом вследствие откачки. Кратковременные откачки вызывают изменения уровня в течение нескольких суток. Сезонные повышения уровня длительностью в несколько месяцев сменяются падением уровня вследствие откачек. Такой режим уровня характерен для районов орошения подземными водами. Длительные изменения уровня вызываются постепенным истощением или пополнением водоносного горизонта. На рис. 2.18, в изображен график колебания уровня подземных вод с сезонным циклом ирригационного водозабора, наложенный на график многолетнего изменения уровня подземных вод, имеющего общую тенденцию к снижению.
Рис. 2.17. Приборы для измерения глубины уровня воды в скважинах: а — стальная мерная лента (рулетка), точность измерения уровня—около 0,005 фута; глубину до воды определяют вычитанием длины смоченной части ленты из общей ее длины до точки отсчета; б — пневматический уровнемер, точность замера уровня при правильной работе—около 2 футов; глубина до воды равна длине трубки в скважине за вычетом отношения максимального давления, Покапанного манометром, к удельному весу воды; в — электрический уровнемер; обычная точность отсчета уровня — до 0,1 фута, при использовании мерной ленты точность измерения достигает 0,001 фута; действие прибора основано на замыкании электрической цепи при соприкосновении опускаемого в скважину электрода с водой, что отмечается амперметром; глубина до воды определяется по градуировке опущенного в скважину провода и уточняется мерной лентой; г — акустический уровнемер, дающий приблизительные данные о глубине до воды с точностью около 10 футов, если известны температура воздуха, а следовательно, и скорость звука; глубина до воды равна половине произведении времени прохождения звукового сигнала на скорость звука; д — прибор для измерения уровня с погруженным датчиком давления, работающем на электрических батареях; точность регистрации изменения глубины погружения датчиков — менее 0,001 фута; глубину погружения датчика определяют непосредственно по калибровочной кривой; е — барабанный самописец — один из самых старых и наиболее надежных приборов для измерения уровня воды; точность измерения колебания уровня — менее 0,001 фута; глубина начального уровня определяется с помощью мерной ленты, последующие изменения уровня регистрируются пером на миллиметровой бумаге.
Рис. 2.18. Колебания уровня подземных вод. а — вызванные изменением уровня воды в реке; б — постепенным истощением водоносного горизонта в засушливый период; в — отбором воды на орошение.
Колебания уровня подземных вод, вызванные действием атмосферного давления на поверхность воды в скважине, бывают двух типов. Кратковременные изменения происходят вследствие порывов ветра над устьем скважины. В результате увеличения скорости ветра над устьем скважины атмосферное давление в последней уменьшается, от чего уровень воды поднимается. При ослаблении ветра уровень воды в скважине падает.
Изменения атмосферного давления также вызывают более длительные колебания уровня воды в скважинах. По мере увеличения атмосферного давления уровни воды в скважинах, вскрывающих напорные водоносные горизонты, понижаются. Отношение величины изменения уровня воды в скважине к величине изменения атмосферного давления называется барометрической эффективностью водоносного горизонта. Максимальная величина барометрической эффективности составляет примерно 80%.
Вес перекрывающих пород и атмосферное давление оказывают на водоносный горизонт давление ра (рис. 2.19). Этому давлению противостоит давление pw подземных вод и реактивное давление ps пород водоносного горизонта. Увеличение атмосферного давления на Δра вызывает увеличение напряжения скелета водоносных пород Δрs и увеличение давления воды Δрw в пределах водоносного горизонта. Итак,
ра=рw + рs (2.2)
и
Δра = Δрw + Δрs. (2.3)
При наличии скважины увеличение атмосферного давления на величину Δра передается через воду в скважине непосредственно на водоносный горизонт. В этом случае вода из скважины выжимается в водоносный горизонт.
Рис. 2.19. Влияние изменения атмосферного давления на напорный водоносный горязонт.
Если атмосферное давление возросло на величину + Δpa, то давление воды увеличится на + Δpw . Следовательно, + Δpw = γ (—Δh) + Δpa. Отрицательное значение Δh свидетельствует о том, что уровень воды падает, поскольку Δpa > Δpw. Если атмосферное давление снизилось на величину — Ар , давление воды уменьшится на величину —Δpw- Следовательно, — Δpw = γ Δh — Δpa . Положительная величина Δh означает, что уровень воды в скважине поднялся.
Такое изменение уровня воды на величину Δh продолжается до тех пор, пока оно будет остановлено противодействующим давлением. Таким образом,
Δhγ + Δpw = Δpa (2.4)
где γ — удельный вес воды. Это уравнение предполагает, что объем воды, выжатой в водоносный горизонт, незначителен по сравнению с объемом воды водоносного горизонта. Разумеется, для глубоких скважин в слабопроницаемых породах это положение нельзя считать доказанным, но для большинства водоносных горизонтов, сложенных рыхлыми осадочными породами, такое допущение возможно. Вообще величина Δpw мала для водоносных горизонтов, сложенных скальными породами, и велика для водоносных горизонтов, сложенных рыхлыми породами. Таким образом, барометрическая эффективность прямо пропорциональна плотности пород водоносного горизонта.
Колебания уровня подземных вод возможны также вследствие деформации водоносного горизонта. Одна из наиболее распространенных причин этого явления — нагрузка, оказываемая на прибрежные водоносные горизонты водами океана в результате колебания их уровня. Морские ветры во время шторма могут поднять уровень воды в океане на высоту до 2 м. Этот подъем уровня накладывается на обычное повышение уровня океана вследствие периодических приливов. Итак, при повышении уровня воды в океане на прибрежный водоносный горизонт действует большая нагрузка:
Δрt = Δрw + Δрs, (2.5)
где Δрt — изменение давления на водоносный горизонт вследствие изменения уровня воды в океане (рис. 2.20). Если водоносный горизонт представлен упругими породами, величина Δрw будет большая. Повышение уровня воды в скважине составит Δh, или
Δhγ = Δрw. (2.6)
Джейкоб вывел зависимость между приливной и барометрическом эффективностью. Если
(2.7)
и
(2.8)
то
B + C=1, (2.9)
где С — приливная эффективность, В — барометрическая эффективность на берегу океана. Следовательно, приливная эффективность служит мерой упругости водоносного горизонта.
Рис. 2.20. Влияние приливных колебаний уровня океана на уровень воды в скважине, вскрывающей напорный водоносный горизонт.
Давление на водоносный горизонт ра суммируется из атмосферного давления, давления столба воды океана, веса водонепроницаемой кровли водоносного горизонта и перекрывающих пород. Поскольку Δрw = γΔh и Δрw прямо пропорционально изменению уровня воды в скважине вследствие прилива Δht, величины Δht и Δh имеют одинаковый алгебраический знак (направление движения). Однако изменение Уровня воды в скважине Δh всегда меньше изменения уровня воды в океане Δht на величину
при γ ~ γ0, где γ0 — удельный вес воды окаеана. Если атмосферное давление постоянно, pw = γh Также Δрt= Δhtγ0.
Земные приливы также вызывают небольшие изменения уровня воды в некоторых скважинах. Эти изменения амплитудой обычно менее 0,1 фута ежесуточно достигают двух минимумов, соответствующих верхней и нижней кульминациям Луны. В результате лунного притяжения происходит некоторое расширение водоносного горизонта, что в свою очередь уменьшает давление внутри него и вызывает понижение уровня воды в скважине.
Эпизодические изменения уровня подземных вод происходят при землетрясениях, прохождении поездов, работе землеройных машин, вызываются взрывами и другими кратковременными нагрузками на водоносные горизонты. Амплитуда этих колебаний обычно менее 0,1 фута, но при очень сильных землетрясениях она достигает нескольких футов.
Изменения уровня подземных вод в результате землетрясений могут быть упругими и не упругими. Сейсмические колебания земной коры, возникшие в одном районе, передаются в другие области земного шара, где горные породы претерпевают упругую деформацию. Колебание уровня подземных вод неупругого характера заключается в перераспределении частиц пород водоносного горизонта или пород, граничащих с последним. Небольшое изменение объема водоносного горизонта в результате землетрясений вызывает изменения уровня воды в скважинах, вскрывающих напорные водоносные горизонты средней водоироводимости.
Постоянные деформации рыхлых осадочных пород обычно происходят на расстоянии до 100 км от эпицентра очень сильного землетрясения. При более слабых землетрясениях это расстояние сокращается. Особенно резкое влияние землетрясений на уровень подземных вод отмечается в водоносных горизонтах, сложенных современными песчаными отложениями. Вода начинает изливаться из скважин, вскрывающих такие водоносные горизонты, во время сильного землетрясения или сразу после него. Это происходит в результате вытеснения воды из водоносных горизонтов, сжимаемых сейсмическими колебаниями. Там, где песок залегает на относительно небольшой глубине, под действием гидравлического напора на поверхность земли выбрасывается смесь песка и воды, в результате чего там образуются небольшие песчаные бугорки в виде миниатюрных вулканов.
Нередко колебания уровня воды менее 1 фута вызываются различными нарушениями внутри скважины. Утечка воды через трубы, попадание мелких животных в скважину, выделение газа в воде и другие причины могут исказить данные об уровне воды, отражаемые на графике. К счастью, непериодический характер колебаний уровня такого рода, а также малая величина их амплитуд дают возможность гидрогеологам отличать эти изменения от более значительных.
