Почвенные воды

Определение "Почвенные воды" в словаре Брокгауза и Ефрона

Почвенные воды
Почвенные воды*

— иначе грунтовые (Grundwasser, groundwater), подпочвенные, колодезные (eaux phr é atiques), подземные (eaux souterraines, acqua di centro) и т. п. Так называется вода, скопившаяся в грунте на известной глубине от поверхности, питающая обыкновенные колодцы и вытекающая, в виде родников и ключей, в оврагах и долинах. Обыкновенно она залегает не сплошным водным слоем, а пропитывает собою какую-нибудь горную породу (песок, суглинок, лёсс и т. п.), всю или часть, образуя так называемый водоносный слой, или ярус, большей частью непрерывный на значительной площади. Мощность водоносного горизонта и степень насыщенности водой крайне разнообразны и иногда достигают значительной величины. Так, по левую сторону Рейна, у Страсбурга, находится насыщенная водой площадь около 20 км шириной и в 10 м мощностью (Добрэ). Весь Лондон и окрестности потребляют воду исключительно из местного непрерывного водоносного горизонта, дающего миллионы ведер в сутки (Прествич), и т. п. Поверхность грунтовых вод редко бывает горизонтальной; чаще она волниста, образует всевозможные мульды, выпуклины и т. п. Циркуляция вод, в общем, слаба, хотя при особо благоприятных условиях (ноздреватости, трещинах в водоносной породе и т. п.) возможны быстрые подземные течения, как сплошные, так и жильные. Вообще же режим грунтовых вод вполне зависит от физико-географических условий местности.

I. Происхождение П. вод — вопрос до сих пор темный, несмотря на то, что им занимались очень многие исследователи со времен глубочайшей древности (Фалес, Аристотель, Лукреций, Сенека, Декарт и мн. др.). Воззрения древних и средневековых исследователей можно свести к двум главным. По одному (меньшинств.) — происхождение подземных вод, ключей, рек и т. п. приписывалось атмосферным осадкам и их просачиванию; по другому, более распространенному мнению, представителем которого является Сенека, подземные, а частью и поверхностные воды считались результатом деятельности сил внутренних, вулканических. Благодаря этим силам, по Сенеке, вода циркулирует в земле по особым ходам, как кровь по нашим жилам; периодичность некоторых источников и речных половодий он сравнивал с периодичностью таких болезней, как лихорадка, подагра, менструации и т. п. Взгляды Сенеки господствовали до XVII стол. С развитием научной мысли они заменяются теорией просачивания, которая была научно обоснована впервые Мариоттом, а затем Дальтоном, Гагеном и др. По этой теории, часть атмосферных осадков испаряется с поверхности, другая стекает в реки и моря, а третья (по Делессу около 50%) просачивается вглубь, образуя здесь водоносные горизонты, бассейны и проч. Эти подземные воды, в свою очередь, выходить наружу в виде источников, ключей и т. п. Таким образом, в природе совершается постоянный круговорот воды.

Это представление является господствующим до семидесятых годов текущего столетия, когда Фольгер и Новак, почти одновременно, воскресили старые теории Сенеки и Декарта, дав им научное основание. Фольгер (1877) утверждал, что ни одна капля дождевой воды не может просочиться глубоко в землю; никакой самый сильный дождь не в состоянии промочить на значительную глубину никакой, даже песчаной, почвы; вода проникает в грунт лишь в парообразном состоянии, конденсируясь здесь в жидкость под влиянием температурных и других условий. По теории Фольгера, круговорот воды совершается в следующем порядке.

Новак (1878), опираясь на теорию Фольгера, развил свою теллурическую, чрезвычайно близкую к декартовской. По его мнению, из морей и других крупных бассейнов вода по трещинам проникает в недра, откуда, под влиянием температуры, подымается в парообразном виде вверх. В подтверждение этого, он указывает на некоторые источники на самих верширах гор, каковы, напр., Hexenbrunnen на Броккене, Ochsenkopf на Фихтельгебирге, источники Синая, Арарата и др.; он предполагает, что моря Каспийское и Мертвое, испаряющие (по его вычислениям) воды меньше, чем они получают, должны избыток отдавать глубоким горизонтам земной коры. Теория Фольгера встретила противников (Ганн, Вольни) и сторонников; число последних заметно растет. Исследования Мора, Зонтага, Ярца и др. над просачиванием воды сквозь различные горные породы говорят в пользу теории Фольгера. У нас, в России, заслуживают внимания наблюдения и опыты Близнина (1887—93) и Головкинского (1895; наблюдения над влажностью почв и опыты, с П. лизиметрами). Кроме того, существует немало установленных фактов, которые стоят, по-видимому, в противоречии с теорией просачивания. 1) Почти всеми исследователями влажности почв констатирован на известной глубине (1 — 3 метра) так наз. мертвый горизонт, т. е. слой грунта почти предельно сухой в течение круглого года; он наблюдался в подпочвах не только глинистых и суглинистых (Измаильский, Высоцкий, Близнин), но и в песчаных (Любославский). 2) Отсутствие прямой связи между осадками и колебанием уровня П. вод. 3) Весьма часто констатировались грунтовые воды в породах глинистых, водонепроницаемых. 4) Чрезвычайно резкий и быстрый (в один — два дня) подъем уровня П. вод весной. 5) Существование грунтовых вод, часто довольно обильных и на незначительной глубине, в знойных, сухих пустынях. 6) Химический состав П. вод, зависящий обыкновенно от состава водоносной горной породы, а не вышележащих. 7) Часто наблюдавшаяся прямая зависимость колебания грунтовых вод от геотермических условий, влажности и давления воздуха. Это и мног. др., заставляет нас признать теорию Фольгера вероятной.

II. Режим грунтовых вод. Во всяком случае, каково бы ни было происхождение грунтовых вод, в их жизни играют важную роль почти все физико-географические условия данной местности, каковы климат, геологическое строение, рельеф, растения, животные и пр.

Климатические факторы. Атмосферные осадки обыкновенно прямо не влияют на колебание уровня грунтовых вод. Как показывают почти все наблюдения, несмотря на то что летом выпадает maximum осадков, уровень грунтовых вод идет неуклонно к mininium'у. По данным берлинской метеорологической станции, за 15 лет, наблюдалось полное несоответствие в ритмах колебаний тех и других (см. фиг. 1).

Фиг. 1. Диаграмма колебаний осадков и грунтовых вод на метеоролог. станции в Берлине (средн. за 15 лет). Ос. — осадки; Гр. в. — грунтовые воды.

Подобные же кривые дают наблюдения в Бремене, Франкфурте на Майне, Брюнне (Сойка) и большинстве наших метеорологических станций. Ни один самый сильный ливень не в состоянии промочить почву глужбе, чем на 1 метр. Большая связь между осадками и П. водами замечается в местностях с большим количеством первых, с неглубоким залеганием вторых и с рыхлым грунтом; таковы, напр., по данным Сойки, Мюнхен и Зальцбург, где, впрочем, все-таки нет полного соответствия в ритме колебаний осадков и грунтовых вод. Подъем уровня грунтовых вод достигает наибольшей величины весной, притом часто чрезвычайно быстро, резким скачком, и приурочивается, по-видимому, ко времени стаивания ледяной коры, прикрывающей почву. Так, по наблюдениям Алтухова и Фейгина, ключи окрестностей Петербурга с 9 по 20 апреля 1895 г. увеличили приток своей воды в 3—10 раз, достигли maximum'a и затем постепенно стали ослабевать:
Скважина № II.

По недавннм исследованиям Ланглея, Мартини, Кинга и др., наблюдается влияние атмосферного давления на грунтовые воды, причем влияние быстрых барометрических колебаний резче, чем медленных: во время бурь движение уровня воды в колодцах бывает очень значительным. Подобное же наблюдение было сделано и при изучении мытыщинских (под Москвой) грунтовых вод; падение барометра сопровождалось повышением их уровня.

Геологическое строение, по общепринятому воззрению, является первенствующим фактором в происхождении и жизни грунтовых вод: оно обусловливает глубину их залегания, водоносность, характер минерализации и движение. Необходимые условия для образования постоянного водоносного горизонта — рыхлость, пористость или трещиноватость (водопроницаемость) поверхностной горной породы и залегание ее на породе водонепроницаемой (глины, песчаники и пр.). Последняя образует ложе, на котором грунтовая вода покоится (при горизонтальности породы) или движется в сторону его наклона, до наступления известного равновесия. Чрезвычайно резкий пример влияния геологического строения приводитпроф. Гааз. В одном пункте вост. Шлезвиг-Гольштейна под песчаным слоем залегают плотные валунные мергеля, поверхность которых чрезвычайно неровна. Благодаря последнему обстоятельству, грунтовые воды на коротком расстоянии образовали несколько обособленных горизонтов, как это видно на фиг. 3.

Aиг. 3. Грунтовые воды в восточном Шлезвиг-Гольштейне (по Гаазу). А, B, С, D, E, F, G — буровые скважины.

При гидрологических изысканиях для каких-нибудь практических целей, обыкновенно наиболее тщательному изучению подвергается геология местности, в особенности рельеф водонепроницаемого ложа. Однако, по новейшим исследованиям, роль геологии должна быть несколько ограничена. Многократно констатировались грунтовые воды в плотных глинах, т. е. водонепроницаемых (в губ. Воронежской, Херсонской и др.). Исследования Алтухова и Фейгина показали, что в окрестностях СПб. главный водоносный горизонт залегает в плотных известняках, с проблематической трещиноватостью, тогда как вышележащие ярусы гравия и песков оставались сухими или же слабо насыщенными водой и т. п. Движение подземных вод, которое многими приравнивается движению вод поверхностных, определялось двумя способами. Bo-первых, в каком-либо пункте в скважину или колодец вводилось некоторое количество растворимых солей и затем наблюдалось направление и скорость их распространения (Тим, Славянский и др.). Второй способ состоит в попеременной откачке воды из буровых скважин, расположенных в известном порядке (Алтухов и Фейгин и др.). Циркуляция воды в горизонтальном направлении является чрезвычайно слабой, особенно в породах мелкоземистых. В Воронежской губ. имеются два колодца, расположенные почти рядом, из которых. один содержит воду пресную, а другой минерализованную. Движение совершается, большей частью, по направлению к долинам (по линиям депрессии) и не всегда совпадает с направлением уклона водоудерживающей породы. По данным Алтухова и Фейгина, общее движение подпочвенных вод Царскосельского плато направляется с 3 на В, тогда как падение геологических слоев идет на Ю, а частью даже и на З. Геологические условия обуславливают также характер и степень минерализации грунтовых вод. При этом замечено, что в этом отношении влияние оказывает химико-петрографический состав лишь водоносной породы, а не вышележащих. Так, часто наблюдалось, что грунтовые воды, залегающие под лёссом — породой весьма богатой углекислой известью — содержат ее чрезвычайно мало (Никитин и др.), и, наоборот, иногда бывают богаты солями сернокислыми и хлористыми, процент которых в лёссе невелик (Соколов, Топоров и др.).

Рельеф местности. Верхняя поверхность (скатерть) грунтовых вод соответствует, в общем, рельефу местности, лишь в более сглаженной форме, т. е. повышается к водоразделам и падает к долинам (см. фиг. 4).

Фиг. 4. Грунтовые воды города Мюнхена.

Это падение, называемое "депрессионным", тем значительнее, чем круче склон, и напоминает собой воронки, образующиеся вокруг скважины или колодца, из которых производится откачка. Вероятно, во многих случаях депрессионное падение уровня грунтовых вод обусловлено своего рода откачивающей деятельностью источников, испарением и т. п. Напр., канализационные работы у Киля, в окрестностях Рендсбурга и др. местах (перерезался водоносный горизонт), всегда вызывали резкое понижение грунтовых вод во всей прилегающей местности (Гааз). Этот же дренаж вызывает и вышеупомянутое движение воды в сторону долин. Данное явление наблюдается не только в местностях, выстланных глинистыми породами, но и в чисто песчаных, каковы, например, дюнные побережья Остенде, Гаскони (см. фиг. 5), Голландии и т. п.

Фиг. 5. Грунтовые воды гасконского побережья, близ Аркашона.

Здесь грунтовые воды имеют волнообразную поверхность, вполне отвечающую формам дюнных гряд (Добрэ, Фан-Эртборн, Ферстретен и др.). По-видимому, и мелкие детали рельефа способны оказывать влияние на режим грунтовых вод. Так, Измаильский констатировал под так назыв. степными воронками Полтавской губ. более высокое стояние грунтовых вод, чем на ровной степи. Он полагает даже, что эти воронки суть одни из немногих пунктов, где вообще возможно просачивание атмосферной влаги до уровня подпочвенных вод (просачивание на ровной и голой степи он отрицает).

Растительность, особенно лесная, оказывает большое влияние на уровень грунтовых вод. Так, недавние гидрологические работы в губерниях Воронежской, Херсонской, С.-Петербургской и др. показали, что при прочих равных физико-географических условиях, уровень более или менее близких к поверхности (до 8 — 9 саж.) грунтовых вод в лесах всегда ниже, чем на соседних полях и даже на значительных полянах среди леса (см. фиг. 6), явление выражается иногда чрезвычайно резко.

Фиг. 6. Грунтовые воды Шипова леса, Воронежской губернии. Кол. 7 — на ровной степи; скв. 4 — в полувырубленном лесу; скв. 5 — в густом лесу.

Напр., в одном пункте Шипова леса понижение водоносного горизонта достигла 10 метров на протяжении всего 32 метров. При этом нередко понижение уровня шло в сторону, противоположную общему падению местности. Подобные же факты наблюдались также во Франции (в Ландах), в Италии (при осушении Понтийских болот) и в Германии (новейшие опыты Вольни). Все они доказывают, что, вопреки общераспространенному мнению, лес, благодаря своей сильной испаряющей деятельности, действует иссушающим образом на грунт и понижает грунтовые воды.

Роль животных в жизни грунтовых вод мало изучена. Однако, a priori необходимо допустить, что по глубоким ходам копающих животных (так назыв. кротовинам и т. п.) атмосферные осадки могут непосредственно просачиваться до водоносного горизонта. По наблюдениям Высоцкого в Екатеринославской губ., в некоторых пунктах грунт пронизан множеством вертикальных ходов дождевых червей, идущих чрезвычайно глубоко, местами — до уровня грунтовых вод.

Поверхностные воды, реки, моря, озера и др. бассейны, играют чрезвычайно важную роль в режиме грунтовых вод, когда уровень последиих совпадает и соприкасается с уровнем названных бассейнов. В таком положении находится большинство П. вод аллювиальных речных долин. Ритм колебаний их вполне совпадает в районе, прилегающем к месту соприкосновения; по мере удаления от реки или иного бассейна влияние заметно ослабевает, и, наконец, ход колебания уровня грунтовых вод уже подчиняется иным факторам. Чрезвычайно поучительный пример такого влияния приводит Сойка. На водоразделе между. Рейном и Иллем в 1874 г. был заложен ряд наблюдательных колодцев, колебания уровня воды в которых изображены на прилагаемой диаграмме (фиг. 7).

Фиг. 7.

Здесь отчетливо видно, как влияние обеих рек растет по мере приближения к ним. Сущность происходящего в подобных случаях явлевия состоит не в том, что поднявшиеся воды реки и т. п. обогащают собой грунтовый водоносный ярус, а главным образом, в явлении так наз. "подпора": поднявшиеся воды закупоривают истоки грунтовых вод в долину и, в то же время, производят боковое давление. Так, по многократным наблюдениям над влиянием океанических приливов и отливов на прибрежные грунтовые воды, оказывается, что морская вода, подымая уровень последних, не осолоняет их (Ферстретен, Уле и др.). Чертеж 8-й показывает взаимное соотношение между пресными грунтовыми и солеными морскими водами у Остенде, по данным Ферстретена.

Фиг. 8. Грунтовые воды близ Остенде. П — песок; ПВ — пресная вода; МВ — морская вода; Н — глинистый нанос.

III. Значение П. вод. Это те именно воды, которыми питается значительная часть населения земного шара, либо непосредственно — из колодцев, ключей и пр., либо косвенно — из рек, озер и др водоемов, питаемых и регулируемых, главным образом, грунтовыми водами. Как показад Леваковский и др., то или иное их залегание, их дебит, режим и химический состав прямо, иногда чрезвычайно резко, обусловливают характер расселения в данной местности, приемы и типы сельского хозяйства и промышленности, известные экономические отношения, словом, до известной степени, отражаются почти на всех сторонах быта населения. Пустыни Азии и Африки, безлюдные участки остальных частей света в значительной степени обязаны своим безлюдьем сильной углубленности или негодности грунтовых вод. Гидрологические исследования в губерниях Херсонской, Полтавской, Екатеринославской и друг. показывают, что густота населения в них совпадает с лучшей водоносностью местности. Не только мелкие селения, но и значительная часть больших городов, даже столиц, утилизирует грунтов. воды для своего водоснабжения (о гигиенич. значении почв. вод см. выше). Техника также нередко пользуется ими при фабричной обработке продуктов, в качестве орудия производства. Для сельского хозяина гидрологические условия его земли чрезвычайно важны. При неглубоком залегании, не глубже 1 — 3 м, в силу капиллярности, гр. вода может непосредственно влиять на производительность почвы. Как известно, наибольшим плодородием отличаются всевозможные долины благодаря обычной близости здесь грунтовых вод. Чаще же эти последние, при благоприятных условиях, служат для мелиорации почв, путем искусственного орошения. Очень поучительна в этом отношении, напр., Ломбардская низменность. Залегая на глубине 2-3 метров и находясь притом под некоторым напором, грунтовые воды здесь выводятся наружу посредством так назыв. fontanili, т. е. широких деревянных труб или бездонных бочек, опускаемых в грунт до уровня воды, которая и вытекает наружу, давая, в среднем, 120 литров в секунду. Такие фонтанили, имея minimum температуры 8 — 9°, позволяют культивировать растения даже зимой и получать богатый урожай. Наконец, грунтовые воды — чрезвычайно важный геологический деятель, как фактор изменения рельефа (пластики) и стратиграфии земной коры. Выщелачивые горные породы и отлагая выщелочный материал где-нибудь на поверхности, грунтовые воды образуют, с одной стороны, разного рода пустоты и провалы (см.), а с другой — нагромождают подчас громадные холмы туфовидного материала. Далее этот же процесс химического и механического выноса ведет к образованию всевозможных обвалов (см.), оползней (см.) и т. п.

Литература. A. Daubré e, "Les eaux soulerraines а l' é poque actuelle" (т. I, П., 1887); A. Nowak, "Vom Ursprunge der Quellen" (Прага, 1879); И. Леваковский, "Воды России по отношению к ее населению" (Харьков, 1890); J. Soyka, "Die Schwankungen des Grundwassers mit besonderer Ber ücksichtigung der mitteleuropäischen Verhä ltnisse" (B., 1888); H. Haas, "Quellenkunde" (Лпц., 1895). Кроме того, краткие общие соображения о происхождении и жизни почвенных вод приведены у И. Мушкетова: "Физическая геология" (т. II); у С. Никитина, "Бассейн Оки" и др., а также в руководствах по гигиене и гидротехнике. Из последних наиболее обстоятельно сочинение Lueger'a: "Wasserversorgung der St ä die" (1892—97). С начала 1898 г. в Дрездене издается специально гидрологический журнал: "Zeitschrift f ü r Gewдsserkunde", в котором изучению грунтовых вод отведено широкое место.

П. Отоцкий.