Файл: Ковалевский В.С. Условия формирования и прогнозы естественного режима подземных вод.pdf

6,6 лет) циклы в ритмах перемещения полюса вращения Земли, приводящие к изменениям скорости океанических течений, осо­ бенно направленных по меридиану, и в том числе Гольфстри­ ма, определяющего режим температур северных морей и тепло­ вой баланс прилегающих территорий суши. В связи с этим 5-7- летние (в среднем 6 лет) циклы довольно четко выделяются в режиме подземных вод Прибалтики, находящейся в зоне отеп­ ляющего эффекта Гольфстрима. Однако 6-летние циклы имеют место и в других районах СССР (Прмкаспий, Дальний Восток и пр.), где их появление связывается, видимо, с соответствую­ щими циклами солнечной активности, находящей отражение в аналогичной (в среднем с периодом 6,6 лет) цикличности атмос­ ферной циркуляции (рис. 3).

Помимо 2-, 5-6- и 11-летних циклов рядом гелиофизиков вы­ деляется еще 22-летний цикл, находящий выражение в смене более высоких 11-летних циклов чисел Вольфа низкими, Эта за­ кономерность проявляется не очень четко, что вызывало сомне­ ние в самостоятельности данной цикличности. Более того, про­ веденное нами сглаживание чисел Вольфа и других индексов (Бартельса, Капецкого и др.) по 11-леткам и последующая ав­ токорреляция показали наличие 106-летнего цикла; все циклы, кратные 11-летним, при этом пропали. Однако рядом исследо­ вателей установлено, что наиболее отчетливо 22-летний цикл выявляется в смене полярности магнитных полей солнечных пя­ тен при переходе от одного 11-летнего цикла к другому. Такой двойной цикл состоит из четного (первого) и нечетного (второ­ го) 11-летних циклов (по цюрихской нумерации).

В настоящее время 22-летние циклы установлены в различ­ ных проявлениях климата Земли. Однако наиболее интересной является отмеченная Б. А. Слепцовым-Шевлевичем и И. М. Мак­ симовым (Максимов, 1970) четкая смена знаков связи Солнце — барическое поле Земли с обратного в четные циклы (с 12-го цикла по 17-й цикл) на прямой в нечетные циклы. Данная за­ кономерность представляется одной из основных причин сме­ ны знаков связей между солнечной активностью и режимом под­ земных вод.

земных вод, режим их расходования в результате транспирационной деятельности растительности, определяемой световой и тепловой деятельностью Солнца, и т. д. Наиболее четко фикси­ руемый во всех элементах режима подземных вод (в уровнях, температурах и химическом составе) годовой цикл определяет­ ся также планетарными факторами — вращением Земли вокруг Солнца и изменением соотношения поглощаемого и отраженно­ го солнечного тепла земной атмосферой.

Однако довольно четкие многолетние колебания в режиме подземных вод (синхронные или асинхронные с солнечной ак­ тивностью) наблюдаются не всегда. Это вызывается прежде всего различными осложнениями данного процесса, возннкаю-

т

1970

Рис. 3. Колебания уровнен грунтовых вод по отдельным скважи­ нам Ленинградской (б), Куйбышевской (в), Саратовской (г) и Волгоградской (д ) областей в сопоставлении с различными типа­ ми атмосферной циркуляции (а) н нутационными колебаниями полюса Земли (е)

щими в атмосфере, ее циклонической деятельностью, а также сочетанием взаимосвязей различных факторов, определяющих режим подземных вод. В режиме уровней подземных вод от­ дельных скважин или групп скважин, расположенных на опре­ деленных территориях, наряду с циклами, обусловленными ге­

лиогеофизическими факторами, наблюдаются часто циклы как бы «незакономерные» (например, 7-8-, 14-15-, 17-, 25-летние), не имеющие аналогов в солнечных циклах. Ограниченность наб­ людений за режимом подземных вод, к сожалению, не позволя­ ет в настоящее время доказать «случайность» появления таких циклов, так как нередко они зафиксированы всего по одному разу.

В большинстве случаев в режиме подземных вод можно вы­ делить солиечнообусловленные 5-6 и 11-летние циклы, а также намечающиеся по единичным скважинам 30—35-летний и веко­ вой (83— 106-летний) циклы.

Помимо эффекта воздействия светового и электромагнитно­ го излучения Солнца, приводящего к количественным и качест­ венным изменениям в ресурсах подземных вод, в режиме их отмечаются изменения, вызываемые силами притяжения Солн­ ца и Луны. Такое воздействие проявляется главным образом в гидросфере Земли и определяет океанические и земные прили­ вы. Наиболее известны океанические приливы, регулярно наб­ людаемые, чаще всего два раза в сутки, с максимумами их эф­ фекта в точках Земли, ближе всего расположенных к Луне как со стороны, прямо обращенной к ней, так и с противоположной, и соответствующих верхней и нижней кульминациям Луны. Наиболее интенсивны приливно-отливные явления в момент, (Когда силы притяжения Луны и Солнца совпадают по направ­ лению.

Подъем уровней воды в океанах во время приливов дости­ гает иногда значительных величин: у юго-западных берегов

заливе Фандп на севере Канады — 18 м. Наибольших размеров приливно-отливные колебания достигают обычно на восточных побережьях континентов, так как здесь они усиливаются силаімн Кариолиса. В Атлантическом океане приливная волна расщространяется со скоростью 300 миль в час. Достигнув конти­ нента, она резко поднимает уровень вод океана. На островах в открытом океане приливы гораздо меньше (0,8 м на о. Святой Елены, 1,8 м на Азорских островах). Во внутренних морях при­ ливы почти не проявляются. В Черном море у берегов Турции величина прилива достигает 7—8 см, в Балтийском море у Ки­ ля—7 см, в Финском заливе у Ленинграда—5 см.

Учитывая почти строгую ритмичность приливов и отливов, хорошо аппроксимируемую синусоидой, колебания уровней под­ земных вод со свободной поверхностью, вызываемые подпором морских вод в прибрежных зонах океанов и открытых морей, могут быть рассчитаны по известному уравнению Форхгеймера

где h — отклонение от среднего уровня подземных вод в мо­ мент времени t на расстоянии х от берега океана;

ho —отклонение от среднего уровня воды в океане; р. — водоотдача пород;

k — коэффициент фильтрации;

hçp — средняя мощность водоносного горизонта;

/0 — половина периода колебаний уровня воды в океане.

а время запаздывания наступления максимума в грунтовых во­ дах по сравнению с максимумом в прибрежной части океана — через

ний уровней грунтовых вод по мере удаления от берега затуха­ ет, время подъемов и спадов уровня сдвигается при сохранении длины периода колебаний.

В напорных водах, имеющих или не имеющих непосредствен­ ной гидравлической связи с океаном, приливо-отливные явле­ ния воздействуют на водоносный горизонт путем увеличения и снятия нагрузки, изменяя тем самым упругое состояние водо­ носного горизонта. Изменение давления на напорный пласт, рас­ положенный в пределах океана, вызывает передачу давления в пределах водоносного горизонта в сторону суши. Соотношение изменений напора водоносного горизонта А/г, произошедшего под воздействием изменения давления на пласт под влиянием изменения уровня воды в океане Ар, называется приливной эф­ фективностью С:

связана с барометрической эффективностью В следующим соот­ ношением:

Перераспределение напоров в глубь берега под влиянием океанических приливов и отливов может быть рассчитано по аналогии с грунтовыми водами по уравнениям (1), (2) и (3), в которых водоотдача р, заменяется на упругую водоотдачу р*, а средняя мощность Ііср на мощность напорного пласта т. При

этом упругая водоотдача пласта может быть определена по уравнению

Аналогичным является механизм воздействия сгонно-нагон­ ных явлений на напорные воды, когда под воздействием силь­ ных или даже ураганных ветров уровни воды в морях, заливах

тяжение Лупы приводит к некоторому растяжению земной ко­ ры в точках, соответствующих ее верхней и нижней кульмина­ циям, что приводит к уменьшению давления в водоносных го­ ризонтах, увеличению порового пространства и, следовательно, к снижению уровней подземных вод. Амплитуды колебаний уровнем подземных вод в таких случаях обычно невелики и до­ стигают всего 3— 10 см.

Графики колебаний уровня напорных вод, происходящих под влиянием притяжения Луны, имеют пилообразный цикли­ ческий характер (Robinson, 1939; Nilson, 1968) с двумя подъе­ мами в сутки, совпадающими с прохождением Луны верхнего и нижнего кульминационных ее положений (рис. 4) со сдвигом периода колебаний на 50 мин/сут, соответствующим аналогично­ му сдвигу цикла прохождения Луны. Периоды наибольших ко­ лебаний уровней подземных вод, так же как и размеры океани­ ческих приливов, совпадают с периодами полнолуния и новолу­ ния (особенно в периоды полнолуния, когда силы притяжения

.Чумы и Солнца действуют в одном направлении), а наименьшие колебания — с периодами первой и третьей четвертей Луны, ког­ да эти силы действуют перпендикулярно друг другу.

Таким образом, изменения приливно-отливных воздействий на подземные воды формируют в их режиме еще один (27-28- ідневный) лунный цикл.

Кроме указанных малых лунных циклов, И. В. Максимовым (1970) установлен также 19-летний лунный приливный цикл, приводящий к деформациям океанической поверхности с перио­ дом многолетних колебаний от 17 до 21 г. (в среднем 18,6 лет) и получивший название лунного деклинацнонного цикла.

Этот цикл связан с изменением наклона лунной орбиты к плоскости вращения Земли. Наибольшие приливы наблюдают­ ся в периоды, когда плоскость лунной орбиты совпадает с ор­ битой вращения Земли вокруг Солнца.

Сложение 6-летних нутационных колебаний полюса враще­ ния Земли, обозначенных И. В. Максимовым индексом RN, и 19-летних колебаний лунного прилива, обозначенных индексом Rp, позволило И. В. Максимову (1966) выявить суммарный 19-летний цикл, определяющий периодические изменения накло­ на уровня океана от экватора к полюсу, изменения скоростей океанических течений и ритмичность в переносе ими тепла и передаче его в атмосферу. Эта цикличность подтверждена соот­ ветствующей цикличностью температур в северной Атлантике и циклами атмосферной циркуляции, которые в свою очередь отражаются в количествах переносимой влаги и величинах пи­ тания подземных вод. Примеров четких 19-летних колебаний в режиме подземных вод пока немного, но такие колебания, тем не менее, имеют место (рис. 5).

Помимо приливных сил Луны и Солнца, не исключается воз­ можность воздействия на подземные воды притяжения, вызван­ ного другими планетами солнечной системы, в частности Мар­ сом. Если среднее расстояние между Землей и Солнцем состав­ ляет 150 млн. км, то минимальное расстояние между Землей и Марсом изменяется от 100 до 55 млн. км. В периоды минималь­ ной удаленности Земли и Марса, повторяющихся через каждые 2 года 50 дней, приливные силы Марса достигают максималь­ ных значений.