Условия формирования грунтовых вод в значительной степени предопределены фильтрационными свойствами пород, которые характеризуют их способность пропускать через себя воду.

Степень водопроницаемости грунтов характеризуют коэффициентом фильтрации Кф. Он выражает скорость фильтрации в м/сут или м/с при гидравлическом уклоне t = 1. Породы, для которых значения К ф - меньше 0,1 м/сут, условно считают водоупорными, поскольку в отличие от водопроницаемых они практически не поддаются дренированию обычными способами (см. табл 5.1).

Фильтрационные свойства грунтов зависят от их гранулометриче­ского состава и пористости. Чем крупнее зёрна грунта и, следовательно, поры между ними, тем выше водопроницаемость.

В несвязанных грунтах может происходить движение воды не только за счёт гравитационных сил (фильтрация), а и капиллярных. В этом случае грунтовые воды подтягиваются вверх по тонким пустотам, и происходит увлажнение верхних слоев грунта за счёт водоносных нижних. Это свойство грунтов характеризуют максимальной высотой капиллярного поднятия (см. табл.5.2)

2.2.Образование и формирование подземных вод

Подземные воды образуются в результате просачивания (инфильтрации) атмосферных осадков в грунт, а также конденсации водяных паров в их порах и пустотах. Водоносные горизонты формируются между водоупорными слоями, создавая различные по степени насыщения и видам водного питания зоны.

Рис. 14. Схема формирования подземных вод

I - зона аэрации; 2 - зона насыщения (водоносный слой);

3 - водоупорный слой; 4 - водоупор.

а - верховодка и подвешенные воды; б - грунтовые воды; в - межпластовые воды.

Самая верхняя зона аэрации - служит своеобразным "буферным" слоем между грунтовыми водами и дневной поверхностью, регулируя поступление воды из атмосферы в водоносный пласт и аккумулируя в нижней своей части капиллярные воды, гидравлически связанные с водоносным слоем. Атмосферные осадки с поверхности земли проникают в эту зону, главным образом за счёт свободного просачивания. Наибольшее количество влаги в зоне аэрации скапливается веской после снеготаяния, а летом она частично испаряется, транспортируется растениями или просачивается в нижележащие слои, где и формируются водоносные горизонты.

Верховодка и подвешенные воды образуются, когда в водопроницаемых грунтах имеются отдельные водоупорные линзы или же когда слабо-водопроницаемые грунты не успевают пропускать поступающую сверху влагу, эти воды характеризуются невыдержанным распространением, резко изменяющимся по времени уровнем и могут полностью исчезнуть с прекращением питания.

Верховодка постепенно стекает с водоупорной линзы, питая залегающий ниже водоносный горизонт, а подвешенные воды, которые удерживаются в маловодопроницаемых прослойках только силой капиллярного натяжения, беспрепятственно просачиваются в водопроницаемый слой.

Несмотря на эпизодическое присутствие в грунтах, верховодка и подвешенные воды, близко расположенные к поверхности земли, вызывают в ряде случаев заболачивание территории и подтопление подземных сооружений.

Грунтовые воды являются первым от поверхности земли постоянно существующим водоносным горизонтом и залегают на выдержанном по площади водоупорном слое. Область их питания совпадает с областью распространения. Залегая не глубоко от поверхности земли, эти воды наиболее часто служат причиной подтопления городских территорий.

Me жпластовые воды отделены от дневной поверхности водоупорным слоем и имеют несовпадающие области питания и распространения, а также участки выхода водосодержащего пласта на поверхность земли (зона естественного дренирования). Если эти воды залегают на сравнительно небольших глубинах, то они могут явиться причиной подтопления локальных участков у подножия склонов или более обширных площадей при грунтово-напорном питании верхнего водоносного пласта.

Подземные воды могут быть безнапорными, если они имеют свободную поверхность, и напорными, при наличии водоупорной кровли. Напорные воды находятся под гидростатическим давлением и выходят на поверхность в местах пересечения водоносного горизонта реками, оврагами или искусственными выемками (эти воды называют артезианскими).

Поверхность грунтовых вод отображается на карте гидроизогипсами и гидроизобатами (см. рис 15).

Рис.15. Гидроизогипсы и гидроизобаты на участке подтопляемой территории

Гидроизогипсы - линии равнозначных отметок уровня грунтовых вод.

Гидроизобаты - линии равнозначных глубин заложения грунтовых вод.

К подземным относятся все воды, находящиеся в земной коре, независимо от их агрегатного состояния.

Подземные воды формируются главным образом в результате просачивания атмосферных осадков, а также путем конденсации водяного пара, проникающего с воздухом в трещиноватые и пористые горные породы. Кроме того, существуют погребенные, или реликтовые (отлат.relictus -- оставленный), воды, сохранившиеся от древних морских бассейнов и захороненные при накоплении мощных толщ осадков, а также термальные воды, образующиеся на последних стадиях магматических процессов.

Вода в горных породах находится в разных формах: в виде свободных и сорбированных молекул водяного пара, слабо сорбированных полимолекулярных пленок, капиллярной воды и, наконец, воды, способной перемещаться под влиянием собственного веса --гравитационной воды. Перечисленные формы воды тесно связаны с разными типами пор и трещин.

Все горные породы обладают пористостью, которая измеряется отношением суммарного объема всех типов пор к общему объему породы, выраженным в процентах. Пористость горных пород колеблется от 20 до 30%.

Важным свойством горных пород является их водопроницаемость-- способность пропускать через себя воду. В горных породах наиболее активно может двигаться гравитационная вода, которая перемещается по наиболее крупным порам и трещинам. С учетом возможности ее движения выделяют водопроницаемые и водонепроницаемые породы. К первым относятся пески, галечники, трещиноватые известняки и другие породы, к водонепроницаемым -- глины и массивные кристаллические породы.

Водопроницаемая порода, содержащая воду, называется водоносным горизонтом, или коллектором, водонепроницаемая порода -- водоупорным горизонтом. Водоупорная порода, перекрывающая водоупорный горизонт сверху, называется кровлей, а подстилающая снизу -- его подошвой.

Гравитационная вода, заполняющая поры коллектора, может находиться под давлением, и тогда говорят о напорных водах, или напорных водоносных горизонтах. Если давление отсутствует, то водоносные горизонты называются не напорными. В этом случае вода может двигаться только под действием собственной тяжести. Вода, находящаяся под давлением, способна подниматься на высоту, уравновешивающую это давление (эффект сообщающихся сосудов).

Абсолютная высота подъема напорной воды называется пьезометрическим уровнем. Как правило, величина давления в водоносном горизонте обусловлена относительно высоким положением области питания горизонта. Если вскрыть такой горизонт с помощью бурения, то вода в буровой скважине поднимется до уровня, на котором расположена область питания. Такие воды получили название артезианских (по названию провинции Артуа на северо-западе Франции, где такая скважина была впервые пробурена).

Тектонический прогиб, в геологической структуре которого находится один или обычно несколько напорных водоносных горизонтов, называется артезианским бассейном.

Примером может служить Подмосковный артезианский бассейн, в кавернозных известняках каменноугольного возраста которого имеются три напорных водоносных горизонта пресной воды высокого качества, разделенных водоупорными глинами.

Верхний горизонт подземных вод называется горизонтом грунтовых вод. Этот горизонт имеет только подстилающий водоупорный слой и формируется за счет инфильтрации атмосферных осадков, которые задерживаются на водоупоре. Поэтому зеркало (верхний уровень)грунтовых вод располагается на разной глубине в зависимости от рельефа местности и количества выпадающих атмосферных осадков.

Над горизонтом грунтовых вод в период дождей или таяния снега из-за медленной фильтрации дождевых или весенних талых вод может возникнуть «висячий» (без водоупора) маломощный горизонт так называемой верховодки. Этот горизонт существует непродолжительное время в определенные сезоны года.

Подземные воды, приуроченные к системе водоносных горизонтов, разделенных слоями водоупорных пород, называются межпластовыми, или просто пластовыми. Как отмечалось ранее, они могут быть напорными и безнапорными.

В горных странах существуют трещинные воды, приуроченные к трещиноватым участкам кристаллических массивов, а также ювенильные воды, связанные с поствулканическими процессами. Источники этих вод, обогащенных разнообразными минеральными соединениями и часто обладающих повышенной радиоактивностью, как, например, источники района Минеральных Вод на Северном Кавказе, используются в лечебно-бельнеологических целях.

В тех местах, где водоносные горизонты выходят на поверхность, образуются источники. Среди них различают источники грунтовых и безнапорных межпластовых вод, которые называются нисходящими, и источники напорных вод, называющиеся восходящими.

На материках они образуют сплошную оболочку, которая не прерывается даже в областях сухих степей и пустынь. Как и поверхностные воды, они находятся в постоянном движении и участвуют в общем круговороте воды в природе.

Строительство и эксплуатация большинства наземных сооружений и всех подземных связаны с необходимостью учета движения подземных вод, их состава и состояния. От подземных вод зависят физикомеханические свойства и состояние многих горных пород. Они часто затопляют строительные котлованы, канавы, траншеи и тоннели, а, выходя на поверхность, способствуют заболачиванию территории. Подземные воды могут являться агрессивной средой по отношению к горным породам. Они выступают основной причиной многих физикогеологических процессов, возникающих в естественных условиях, в процессе строительства и эксплуатации инженерных сооружений.

Различают:

Питьевые воды - воды, по своему качеству в естественном состоянии или после обработки отвечающие нормативным требованиям и предназначенные для питьевых и бытовых нужд человека, либо для производства пищевой продукции. Этот тип вод включает также минеральные природные столовые воды, к которым относятся подземные воды с общей минерализацией не более 1 г/дм3, не требующие водоподготовки или не изменяющие после водоподготовки своего естественного состава.

Технические подземные воды - воды различного химического состава (от пресных до рассолов), предназначенные для использования в производственно-технических и технологических целях, требования к качеству которых устанавливаются государственными или отраслевыми стандартами, техническими условиями или потребителями.

Подземные воды так же подразделяют:

Подземные воды в основном образуются в результате просачивания (инфильтрации) атмосферных осадков и поверхностных вод в толщу земной коры. Вода проходит через водопроницаемые породы до водоупорного слоя и накапливается на нем, образуя подземный бассейн или поток. Такая подземная вода называется инфильтрационной . Количество инфильтрационной воды зависит от климатических условий местности, рельефа, растительности, состава пород верхней толщи, их структуры и текстуры, а также тектонического строения района. Инфильтрационные подземные воды являются самыми распространенными.

Подземная вода может образовываться также путем конденсации парообразной воды, постоянно циркулирующей в порах горных пород. Конденсационная подземная вода образуется только летом и частично весной и осенью, а зимой не образуется совсем. Конденсацией водяных паров А. Ф. Лебедев объяснял образование значительных запасов подземной воды в зонах пустынь и полупустынь, где количество выпадающих атмосферных осадков ничтожно. Конденсироваться могут не только водяные пары атмосферы, но и водяные пары, выделяющиеся из магматических очагов и других высокотемпературных зон земной коры. Такие подземные воды называются ювенильными.

Ювенильные подземные воды обычно сильно минерализованы. В ходе геологического развития в толще земной коры могут сохраняться погребенные водные бассейны. Вода, содержащаяся в осадочных толщах этих бассейнов, называется реликтовой .

Образование подземных вод представляет собой сложный процесс, начинающийся с накопления осадков и тесно связанный с геологической историей района. Очень часто подземные воды различного происхождения перемешиваются между собой, образуя смешанные по происхождению воды.

Верхнюю часть земной коры с точки зрения распространения подземных вод принято делить на две зоны: зону аэрации и зону насыщения. В зоне аэрации не всегда все поры горных пород заполнены водой. Все воды зоны аэрации питаются за счет атмосферных осадков, интенсивно испаряются и поглощаются растениями. Количество воды в этой зоне определяется климатическими условиями. В зоне насыщения, независимо от климатических условий, всегда все поры горных пород заполнены водой. Над зоной насыщения находится подзона капиллярного увлажнения. В этой подзоне тонкие поры заполнены водой, а крупные воздухом.

В зоне аэрации образуются почвенная вода и верховодка. Почвенная вода залегает непосредственно у поверхности земли. Это единственная вода, которая не имеет под собой водоупора и представлена, в основном, связанной и капиллярной водой. Почвенная вода находится в сложной взаимосвязи с животными и растительными организмами. Она отличается резкими колебаниями температуры, наличием микроорганизмов и гумуса. С почвенной водой строители сталкиваются только на заболоченных участках.

Верховодка образуется в зоне аэрации на водонепроницаемых линзах. Верховодкой также называют любые временные скопления воды в зоне аэрации. Атмосферные осадки, проникающие в эту зону, могут временно задерживаться на слабопроницаемых или уплотненных слоях. Чаще всего это происходит весной в период снеготаяния или в период обильных дождей. В засушливые периоды верховодка может исчезать.

Характерными особенностями верховодки является непостоянство существования, ограниченность распространения, малая мощность. Верховодка нередко создает затруднения для строителей, так как наличие или возможность ее образования не всегда устанавливается при инженерно геологических изысканиях. Образовавшаяся верховодка может вызывать подтопление инженерных сооружений, заболачивание территорий.

Грунтовой называется вода, залегающая на первом от поверхности земли постоянном водоупорном слое. Грунтовые воды существуют постоянно. Они имеют свободную водную поверхность, называемую зеркалом грунтовых вод, и водоупорное ложе. Проекция зеркала грунтовых вод на вертикальную плоскость называется уровнем грунтовых вод (У Г В). Расстояние от водоупора до уровня грунтовых вод называется мощностью водоносного горизонта.

Уровень грунтовых вод, а, следовательно, и мощность водоносного горизонта -- величины непостоянные и могут меняться в течение года в зависимости от климатических условий. Питание грунтовых вод происходит в основном за счет атмосферных и поверхностных вод, но они могут быть и смешанными, инфильтрационно-конденсационными. Участок поверхности земли, с которого поверхностная и атмосферная вода поступает в водоносный горизонт, называется областью питания грунтовых вод. Область питания грунтовых вод всегда совпадает с областью их распространения. Грунтовые воды в силу наличия свободной водной поверхности являются безнапорными, т. е. уровень воды в скважине устанавливается на той же отметке, на которой встречена вода.

В зависимости от условий залегания грунтовых вод различают грунтовые потоки и бассейны. Грунтовые потоки имеют наклонное зеркало и находятся в непрерывном движении в сторону уклона водоупора. Грунтовые бассейны имеют горизонтальное зеркало и встречаются гораздо реже.

Грунтовые воды, находясь в постоянном движении, имеют тесную связь с поверхностными водотоками и водоемами. В районах, где атмосферные осадки преобладают над испарением, грунтовые воды обычно питают реки. подземный питьевой водоносный артезианский

В засушливых районах очень часто вода из рек поступает в грунтовые воды, пополняя подземные потоки. Может существовать и смешанный тип связи, когда с одного берега грунтовые воды питают реку, а с другого -- вода из реки поступает в грунтовый поток. Характер связи может меняться в зависимости от климатических и некоторых других условий.

При проектировании и строительстве инженерных сооружений необходимо учитывать режим грунтовых вод , т. е. изменение во времени таких показателей, как колебания уровня грунтовых вод, температуры и химического состава. Наибольшим изменениям подвержены уровень и температура грунтовых вод. Причины этих изменений очень разнообразны и нередко непосредственно связаны со строительной деятельностью человека. Климатические факторы вызывают как сезонные, так и многолетние изменения уровня грунтовых вод. Паводки на реках, а также водохранилища, пруды, системы орошения, каналы, дренажные сооружения ведут к изменению режима грунтовых вод.

Положение зеркала грунтовых вод на картах изображается с помощью гидроизогипс и гидроизобат. Гидроизогипсы -- линии, соединяющие точки с одинаковыми абсолютными отметками уровня грунтовых вод. Эти линии аналогичны горизонталям рельефа и подобно им отражают рельеф зеркала грунтовых вод. Карта гидроизогипс используется для определения направления движения грунтовых вод и для определения значения гидравлического градиента.

Направление движения грунтовых вод всегда перпендикулярно гидроизогипсам от более высоких отметок к более низким. Направления, по которым передвигаются грунтовые воды при установившемся неизменяющемся во времени движении, называются линиями тока. Если линии тока параллельны между собой, то такой поток называется плоским. Поток также может быть сходящимся и расходящимся. Чем меньше расстояние между гидроизогипсами, тем больше гидравлический градиент грунтового потока. Гидроизобаты -- линии, соединяющие точки с одинаковой глубиной залегания грунтовых вод.

Межпластовыми подземными водами называются водоносные горизонты, залегающие между двумя водоупорами. Они могут быть не напорными и напорными.

Межпластовые не напорные воды встречаются редко. По характеру движения они аналогичны грунтовым водам. Межпластовые напорные воды называются артезианскими. Залегание артезианских вод весьма разнообразно, но наиболее часто встречаются синклинальное.

Артезианская вода всегда заполняет весь водоносный горизонт от подошвы до кровли и не имеет свободной водной поверхности. Область распространения одного или нескольких уровней артезианских водоносных горизонтов называют артезианским бассейном. Площади артезианских бассейнов огромны и измеряются десятками, сотнями, а иногда и тысячами квадратных километров.

В каждом артезианском бассейне различают области питания, распространения и разгрузки. Область питания артезианских бассейнов обычно располагается на больших расстояниях от центра бассейна и на более высоких отметках.

Она никогда не совпадает с областью их распространения, которую иногда называют областью напоров. Артезианские воды испытывают гидростатическое давление, обусловленное разностью отметок области питания и области разгрузки, по закону сообщающихся сосудов. Уровень, на котором устанавливается артезианская вода в скважине, называется пьезометрическим.

Положение его определяется пьезометрической линией , или линией напоров, условной прямой линией, которая соединяет область питания с областью разгрузки. Если пьезометрическая линия проходит выше поверхности земли, то при вскрытии водоносного горизонта скважинами будет происходить фонтанирование, а напор называется положительным.

Когда пьезометрический уровень расположен ниже поверхности земли, то напор называется отрицательным, а вода из скважины не выливается. Артезианские воды, как правило, более минерализованы и меньше связаны с поверхностными водотоками и водоемами, чем грунтовые воды.

Трещинными водами называются подземные воды, приуроченные к трещиноватым магматическим, метаморфическим и осадочным породам. Характер их движения определяется размером и формой трещин. Трещинные воды могут быть не напорными и напорными. Они непостоянны и могут менять характер движения. Размыв и растворение горных пород приводят к расширению трещин, а кристаллизация солей и накопление осадков -- к их сужению. Расход трещинных вод может достигать 500 м3/ч. Трещинные воды создают значительные трудности при строительстве подземных сооружений.

Подземные воды образуются за счет проникновения в земную кору выпавших атмосферных осадков, воды океанов, озер, рек, тающего снега и льда. Количество подземных вод, выделяющихся из магмы, очень незначительно. Так же, по-видимому, невелико и количество воды, образующейся при переходе связанной воды в свободную, совершающемся близ магматических очагов (ювенильные воды).
При проникновении влаги с поверхности в почвогрунт главную роль играет ее просачивание. Меньшее значение имеет проникновение водяных паров, сопровождающееся их конденсацией в порах породы. Однако при определенных условиях этот процесс может оказаться главным. По мнению А.Ф. Лебедева, наиболее благоприятные условия для конденсации влаги имеются в слое постоянной годовой температуры. Важное значение конденсация паров приобретает в области многолетней мерзлоты. За счет конденсации влаги, проникшей из атмосферы, возникают горизонты влажного песка в барханах пустыни.
Интенсивность и величина просачивания определяются сочетанием климатических условий (увлажнение), степени расчлененности рельефа, водопроницаемости почвогрунтов и характера залегания пород.
Физико-географическое значение подземных вод велико и многосторонне. Подземные воды пополняют реки и озера. Они растворяют различные вещества в породах, с которыми соприкасаются, и переносят их (водная миграция элементов). С деятельностью подземных вод связаны сползание слоев породы по склонам (оползни), вынос мелких частичек породы и оседание поверхности (суффозия), растворение пород (солей, гипса, известняка, доломита), сопровождающиеся образованием своеобразных форм рельефа (карст). Грунтовые воды, задерживаясь у поверхности, вызывают ее заболачивание.
Огромна роль подземных вод (особенно почвенных) в снабжении растений влагой и питательными веществами.
Подземные воды используют в городах и в сельской местности. Особенно благоприятны в этом отношении межпластовые воды (в частности, артезианские), предохраняемые от загрязнения водонепроницаемым слоем.
Вдали от рек, в пустынях и полупустынях подземные воды - единственный источник водоснабжения. Они применяются не только для водоснабжения, но и для орошения. В Индии, например, 15% территории орошается подземными водами. На пастбищах в пустынной, полупустынной, степной зонах и в зоне саванны подземные воды обеспечивают водопой животных. Минеральные воды применяют в лечебных целях. На предприятиях химической промышленности из подземных вод извлекают многие химические элементы. Все шире используют горячие подземные воды на теплостанциях, для отопления зданий, в водоснабжении бань, прачечных и т. д.

Водную оболочку Земли — гидросферу — формируют подземные воды, атмосферная влага, ледники и поверхностные водоемы, в том числе океаны, моря, озера, реки, болота. Все воды гидросферы взаимосвязаны между собой и находятся в беспрерывном круговороте.

Основной состав гидросферы — соленые воды. На пресную воду приходится менее 3% всего объема. Цифры условны, так как в расчетах учтены только разведанные запасы. Между тем, по предположениям гидрогеологов, в глубинных слоях Земли находятся колоссальные хранилища подземных вод, месторождения которых еще предстоит открыть.

Подземные воды как часть водных ресурсов планеты

Подземные воды — воды, содержащиеся в водовмещающих осадочных породах, слагающих верхний слой земной коры. В зависимости от окружающих условий, таких как температура, давление, виды горных пород, воды находятся в твердом, жидком или парообразном состоянии. Классификация подземных вод прямым образом зависит от грунтов, слагающих земную кору, их влагоемкости и глубины залегания. Слои водонасыщенных пород носят название «водоносные горизонты».

Водоносные горизонты с пресной водой считаются одним из важнейших стратегических ресурсов.

Характеристики и свойства подземных вод

Различают безнапорные водоносные горизонты, ограниченные пластом водонепроницаемых пород снизу и называемые грунтовыми водами, и напорные, расположенные между двумя водоупорными пластами. Классификация подземных вод по типу водонасыщенных грунтов:

• поровые, залегающие в песках;
• трещинные, наполняющие пустоты твердых скальных пород;
• карстовые, находящиеся в известняках, гипсах и подобных им водорастворимых породах.

Вода, универсальный растворитель, активно поглощает вещества, входящие в состав пород, и насыщается солями и минералами. В зависимости от концентрации растворенных в воде веществ различают пресную, солоноватую, соленую воду и рассолы.

Виды воды в подземной гидросфере

Вода под землей находится в свободном или связанном состоянии. К свободным подземным водам относятся напорные и безнапорные воды, способные перемещаться под действием гравитационных сил. В числе связанных вод:

• кристаллизационная вода, химически входящая в кристаллическую структуру минералов;
• гигроскопическая и пленочная вода, физически связанная с поверхностью частичек минералов;
• вода, находящаяся в твердом состоянии.

Запасы подземных вод

На подземные воды приходится около 2 % от объема всей гидросферы планеты. Под термином «запасы подземных вод» подразумевается:

• Количество воды, содержащееся в водонасыщенном слое грунта — естественные запасы. Пополнение водоносных горизонтов происходит за счет рек, атмосферных осадков, перетока воды из других водонасыщенных пластов. При оценке запасов подземных вод учитывается среднегодовой объем подземного стока.
• Объем воды, который может быть использован при вскрытии водоносного горизонта — упругие запасы.

Еще один термин — «ресурсы» — обозначает эксплуатационные запасы подземных вод или объем воды заданного качества, который возможно добыть из водоносного горизонта в единицу времени.

Загрязнение подземных вод

Эксперты классифицируют состав и вид загрязнения подземных вод следующим образом:

Химические загрязнения

Неочищенные жидкие стоки и твердые отходы предприятий индустрии и сельского хозяйства содержат различные органические и неорганические вещества, в том числе тяжелые металлы, нефтепродукты, токсичные ядохимикаты, почвенные удобрения, дорожные реагенты. Химические вещества проникают в водоносные горизонты через грунтовые воды и неправильно изолированные от смежных водонасыщенных пластов скважины. Химические загрязнения подземных вод отличаются широким распространением.

Биологические загрязнения

Неочищенные хозяйственно-бытовые стоки, неисправные канализационные магистрали и поля фильтрации, расположенные вблизи водозаборных скважин, могут стать источниками заражения водоносных горизонтов болезнетворными микроорганизмами. Чем выше фильтрационная способность грунтов, тем медленнее распространяется биологического загрязнение подземных вод.

Решение проблемы загрязнения подземных вод

Учитывая, что причины загрязнения подземных вод носят антропогенный характер, мероприятия по охране подземных водных ресурсов от загрязнения должны включать мониторинг бытовых и промышленных стоков, модернизацию систем очистки и утилизации сточных вод, ограничение сбросов стоков в поверхностные водоемы, создание водоохранных зон, усовершенствование технологий производства.

Тема: Основные разновидности подземных вод. Условия формирования. Геологическая деятельность подземных вод

2. Основные типы подземных вод.

1. Классификация подземных вод.

Подземные воды весьма разнообразны по химическому составу, температуре, происхождению, назначению и т. д. По общему содержанию растворенных солей они делятся на четыре группы: пресные, солоноватые, соленые и рассолы. Пресные воды содержат менее 1 г/л растворенных солей; солоноватые воды - от 1 до 10 г/л; соленые - от 10 до 50 г/л; рассолы - более 50 г/л.

По химическому составу растворенных солей подземные воды делятся на гидрокарбонатные, сульфатные, хлоридные и сложного состава (сульфатные гидрокарбонатные, хлоридные гидрокарбонатные и т.д.).

Воды, имеющие лечебное значение, называются минеральными. Минеральные воды выходят на поверхность в виде источников или выводятся на поверхность искусственно с помощью буровых скважин. По химическому составу, газоносности и температуре минеральные воды делят на углекислые, сероводородные, радиоактивные и термальные.

Углекислые воды широко распространены на Кавказе, Памире, в Забайкалье, на Камчатке. Содержание углекислого газа в углекислых водах колеблется от 500 до 3500 мг/л и более. Газ присутствует в воде в растворенном виде.

Сероводородные воды также распространены довольно широко и связаны в основном с осадочными породами. Общее содержание сероводорода в воде обычно невелико, однако лечебное действие сероводородных вод настолько значительно, что содержание Н2 более 10 мг/л уже придает им лечебные свойства. В отдельных случаях содержание сероводорода достигает 140-150 мг/л (например, известные источники Мацесты на Кавказе).

Радиоактивные воды делятся на радоновые, содержащие радон, и радиевые, содержащие соли радия. Лечебное действие радиоактивных вод очень высоко.

По температуре термальные воды делятся на холодные (ниже 20°С), теплые (20-30°С), горячие (37-42°С) и очень горячие (свыше 42°С). Они распространены в областях молодого вулканизма (на Кавказе, Камчатке, в Средней Азии).

2. Основные типы подземных вод

По условиям залегания выделяют следующие типы подземных вод:

· почвенные;

· верховодка;

· грунтовые;

· межпластовые;

· карстовые;

· трещинные.

Почвенные воды располагаются у поверхности и заполняют пустоты в почве. Влага, содержащаяся в почвенном слое, называется почвенными водами. Передвигаются они под действием молекулярных, капиллярных сил и сил тяжести.

В поясе аэрации выделяют 3 слоя почвенных вод:

1. почвенный горизонт переменной влажности - корнеобитаемый слой. В нем совершается обмен влагой между атмосферой, почвой и растениями.

2. подпочвенный горизонт, часто сюда «промокание» не доходит и он остается «сухим».

горизонт капиллярной влаги - капиллярная кайма.

Верховодка - временное скопление подземных вод в близповерхностном слое водоносных отложений в пределах зоны аэрации, лежащих на линзовидном, выклинивающемся водоупоре.

Верховодка - безнапорные подземные воды, залегающие наиболее близко к земной поверхности и не имеющие сплошного распространения. Образуются за счёт инфильтрации атмосферных и поверхностных вод, задержанных непроницаемыми или слабо проницаемыми выклинивающимися пластами и линзами, а также в результате конденсации водяных паров в горных породах. Характеризуются сезонностью существования: в засушливое время они нередко исчезают, а в периоды дождей и интенсивного снеготаяния возникают вновь. Подвержены резким колебаниям в зависимости от гидрометеорологических условий (количества атмосферных осадков, влажности воздуха, температуры и др.). К верховодке относятся также воды, временно появляющиеся в болотных образованиях вследствие избыточного питания болот. Нередко верховодка возникает в результате утечек воды из водопровода, канализации, бассейнов и др. водонесущих устройств, следствием чего может быть заболачивание местности, подтопление фундаментов и подвальных помещений. В области распространения многолетнемёрзлых горных пород верховодка относится к надмерзлотным водам. Воды верховодке обычно пресные, слабоминерализованные, но часто бывают загрязнены органическими веществами и содержат повышенные количества железа и кремнекислоты. Верховодка, как правило, не может служить хорошим источником водоснабжения. Однако при необходимости принимаются меры для искусственного сохранения: устройство прудов; отводы из рек, обеспечивающие постоянным питанием эксплуатируемые колодцы; насаждение растительности, задерживающей снеготаяние; создание водоупорных перемычек и т.п. В пустынных районах путём устройства канавок на глинистых участках - такырах, атмосферные воды отводятся в прилегающий участок песков, где создаётся линза верховодке, представляющая собой некоторый запас пресных вод.

Грунтовые воды залегают в виде постоянного водоносного горизонта на первом от поверхности, более или менее выдержанном, водонепроницаемом слое. Грунтовые воды имеют свободную поверхность, которая называется зеркалом, или уровнем, грунтовых вод.

Межпластовые воды заключены между водоупорными слоями (пластами). Межпластовые воды, находящиеся под напором, называются напорными, или артезианскими. При вскрытии скважинами артезианские воды поднимаются выше кровли водоносного пласта и, если отметка напорного уровня (пьезометрическая поверхность) превышает отметку поверхности Земли в данном пункте, то вода будет изливаться (фонтанировать). Условная плоскость, определяющая положение напорного уровня в водоносном пласте (см. рис. 2), называется пьезометрическим уровнем. Высота подъема воды выше водоупорной кровли называется напором.

Артезианские воды залегают в водопроницаемых отложениях, заключенных между водонепроницаемыми, полностью заполняют пустоты в пласте и находятся под напором. Установившийся в скважине УВ называют пьезометрическим, который выражается в абсолютных отметках. Самоизливающиеся напорные воды имеют локальное распространение и больше известны у садоводов как «ключи». Геологические структуры, к которым приурочены артезианские водоносные горизонты, называются артезианскими бассейнами.

Рис. 1. Типы подземных вод: 1 - почвенные; 2 - верховодка; 3 - грунтовые; 4 ~ межпластовые; 5 - водонепроницаемый горизонт; 6 - водопроницаемый горизонт

Рис. 2. Схема строения артезианского бассейна:

1 - водонепроницаемые породы; 2 - водопроницаемые породы с напорной водой; 4 - направление стока подземных вод; 5 – скважина.

Карстовые воды залегают в карстовых пустотах, образовавшихся за счет растворения и выщелачивания горных пород.

Трещинные воды заполняют трещины горных пород и могут быть как напорными, так и безнапорными.

3. Условия образования грунтовых вод

Грунтовые воды являются первым от поверхности земли постоянным водоносным горизонтом . Около 80% сельских населенных пунктов используют для водоснабжения грунтовые воды. ГВ издавна используются для орошения.

Если воды пресные, то при глубине залегания 1- 3 м они служат источником увлажнения почв. При высоте 1-1,2 м они могут вызывать заболачивание. Если грунтовые воды сильно минерализованы, то при высоте 2,5 - 3,0 м они могут вызвать вторичное засоление почв. Наконец, грунтовые воды могут затруднять проходку строительных котлованов, подпаливать застроенные территории, агрессивно воздействовать на подземные части сооружений и т.д.

Подземные воды формируются разными способами. Часть из них образуется в результате просачивания атмосферных осадков и поверхностных вод по порам и трещинам горных пород . Такие воды называются инфильтрационными (слово "инфильтрация" обозначает просачивание).

Однако существование подземных вод не всегда можно объяснить инфильтрацией атмосферных осадков. Например, в районах пустынь и полупустынь выпадает очень мало осадков, причем они быстро испаряются. Вместе с тем даже в пустынных областях на некоторой глубине присутствуют подземные воды. Образование таких вод можно объяснить лишь конденсацией водяных паров в почве . Упругость водяного пара в теплое время года в атмосфере больше, чем в почве и горных породах, поэтому пары воды непрерывно поступают из атмосферы в почву и формируют там подземные воды. В пустынях, полупустынях и сухих степях вода конденсационного происхождения в знойное время является единственным источником влаги для растительности.

Подземные воды могут формироваться за счет захоронения вод древних морских бассейнов совместно с накапливающимися в них осадками . Воды этих древних морей и озер могли сохраниться в захороненных осадках, а затем просачиваться в окружающие породы или выходить на поверхность Земли. Такие подземные воды носят название седиментационных вод .

Часть подземных вод по происхождению может быть связана с остыванием расплавленной магмы . Выделение водяных паров из магмы подтверждается образованием облаков и ливней при извержениях вулканов. Подземные воды магматического происхождения называются ювенильными (от лат. "ювеналис" - девственный). Как считает океанолог X. Райт, обширные водные пространства, которые существуют в настоящее время, "вырастали капля за каплей на протяжении всей жизни нашей планеты за счет воды, просачивающейся из недр Земли".

Условия залегания, распространения и образования ГВ зависят от климата, рельефа, геологического строения, влияния рек, почвенного и растительного покрова, от хозяйственных факторов.

а) Связь ГВ с климатом.

В образовании горных вод важная роль принадлежит осадкам и испаряемости.

Чтобы проанализировать изменение этого соотношения, целесообразно воспользоваться картой обеспеченности растений влагой. По отношению осадков к испаряемости выделены 3 зоны (области):

1. достаточного увлажнения

2. недостаточного

3. незначительного увлажнения

В первой зоне сосредоточены основные площади переувлажненных земель, требующие осушения (в отдельные периоды здесь необходимо увлажнение). Области недостаточного и незначительного увлажнения нуждаются в искусственном увлажнении.

В трех областях питания ГВ осадками и теплоты их в зону аэрации различны.

В области достаточного увлажнения инфильтрационное питание грунтовых вод при глубине залегания более 0,5 - 0,7 м преобладает над тепловым их в зону аэрации. Эта закономерность наблюдается в невегетационный и в вегетационный периоды, за исключением сильно засушливых лет.

В области недостаточного увлажнения соотношение инфильтрации осадков с испарением ГВ при неглубоком залегании их различно в лесостепной и степной зонах.

В лесостепях в суглинистых породах во влажные годы инфильтрация преобладает над тепловым ГВ в зону аэрации, в засушливые годы - соотношение обратное. В степной зоне в суглинистых породах в невегетационый период инфильтрационное питание преобладает над тепловым ГВ, а в вегетационный период - меньше расхода. В целом за год инфильтрационное питание начинает преобладать над тепловым грунтовых вод.

В области незначительного увлажнения - в полупустынях и пустынях - инфильтрация в суглинистых породах при неглубоком залегании УГВ несоизмеримо мала по сравнению с расходом в зону аэрации. В песчаных породах инфильтрация начинает увеличиваться.

Таким образом, питание ГВ за счет осадков уменьшается, а расход в зону аэрации возрастает с переходом от области достаточного к области незначительного увлажнения.

б) Связь грунтовых вод с реками.

Формы связи грунтовых вод с реками определяются рельефом и геоморфологическими условиями.

Глубоко врезанные речные долины служат приемником грунтовых вод, дренируя прилегающие земли. Напротив при небольшом врезе, свойственном низовьям рек, реки питают грунтовые воды.

Различные случаи соотношения поверхностных и грунтовых вод показаны на схеме.

Принципиальная расчетная схема взаимодействия подземных и поверхностных вод в условиях изменчивости поверхностного стока.

а - межень; б - восходящая фаза половодья; в - нисходящая фаза половодья.

в) Связь грунтовых вод с напорными.

Если между грунтовыми водами и нижележащим напорным горизонтом нет абсолютноводонепроницаемого слоя, то между ними возможны следующие формы гидравлической связи:

1) УГВ выше уровня напорных вод, вследствие чего возможно перетекание ГВ в напорные.

2) Уровни практически совпадают. При снижении УГВ, например, дренами, будет происходить подпитывание ГВ напорными.

3) УГВ периодически превышают уровень напорных вод (во время поливов, осадков), в остальное время ГВ подпитываются осадками.

4) УГВ постоянно ниже УНВ, поэтому последние подпитывают грунтовые воды.

Грунтовые воды могут получать питание из артезианских вод и через так называемые гидрогеологические окна - участки, где нарушается сплошность водоупорного пласта.

Возможно подпитывание УВ напорными через тектонические разломы .

Гидродинамические зоны ГВ, определяемые рельефом и геологическим строением, тесно связаны с геоструктурными условиями территории. Зоны высокой дренированности свойственны горным и предгорным областям. Зоны низкой дренированности характерны для прогибов и впадин платформенных равнин.

Зональность питания ГВ наиболее отчетливо проявляется в зоне низкой дренированности аридных областей. Она заключается в последовательном увеличении минерализации ГВ с удалением от источника питания реки, канала и др. Поэтому в засушливых районах колодцы для водоснабжения обычно размещают вдоль каналов, рек.

4. Условия образования и залегания артезианских вод.

Артезианские воды образуются при определенном геологическом строении - чередовании водопроницаемых пластов водоупорными. Они приурочены в основном к синклинально или моноклинально залегающим свитам пластов.

Площадь развития одного или нескольких артезианских пластов называется артезианским бассейном. АБ могут занимать от нескольких десятков до сотен тысяч км 2 .

Источники питания напорных вод - осадки, фильтрационные воды рек, водохранилищ, оросительных каналов и др. Напорные воды в определенных условиях пополняются грунтовыми водами.

Расходование их возможно путем разгрузки их в речные долины, выхода на поверхность в форме родников, медленного высачивания через пласты, заключающие напорный слой, с перетеканием в грунтовые воды. Отбор АВ для водоснабжения и орошения также составляют статьи их расходования.

В артезианских бассейнах различают области питания, напора и разгрузки.

Область питания - площадь выхода артезианского пласта на поверхность земли, где происходит его питание. Она располагается на самых высоких отметках рельефа артезианского бассейна в горных областях и водоразделах и т.д.

Область напора - основная площадь распространения артезианского бассейна. В ее пределах подземные воды обладают напором.

Область разгрузки - площадь выхода напорных вод на поверхность - открытая разгрузка (в форме восходящих родников или площадь скрытой разгрузки, например в русле рек и т.д.)

Скважины, вскрывающие АВ фонтанируют, это пример искусственной разгрузки напорных вод.

В пластах, содержащих гипсы, ангидриды, соли, артезианские воды имеют повышенную минерализацию.

Типы и зональность артезианских вод

Артезианские бассейны обычно типизируют по геоструктуре водовмещающих и водоупорных пород.

По этому признаку выделяют два типа артезианских бассейнов (по Н.И. Толстихину):

1. артезианские бассейны платформ, характеризующиеся обычно весьма значительной площадью развития и наличием нескольких напорных водоносных горизонтов (это Московский, Прибалтийский, Днепро-Донецкий и др.)

2. артезианские бассейны складчатых областей, приуроченные к интенсивно дислоцированным осадочным, магматическим и метаморфическим породам. Отличаются меньшей площадью развития. Примеры - Ферганский, Чуйский и др. бассейны.

5. Геологическая деятельность подземных вод.

Подземные воды проводят разрушительную и созидательную работу. Разрушительная деятельность подземных вод проявляется главным образом в растворении водорастворимых горных пород, чему способствует содержание в воде растворенных солей и газов. Среди геологических процессов, обусловленных деятельностью ПВ, прежде всего следует называть карстовые явления.

Карст.

Карстом называется процесс растворения горных пород передвигающимся в них подземным и просачивающимся поверхностными водами. В результате карста в породах образуются пещеры и пустоты различной формы и размера. Протяженность их может достигать многих километров.

Из карстовых систем наибольшую протяженность имеет Мамонтова пещера (США), общая длина ходов которой составляет около 200 км.

Карсту подвержены соленосные породы, гипсы, ангидриды и карбонатные породы. Соответственно и различают карст: соляной, гипсовый, карбонатный. Развитие карста начинается с расширения (под влиянием выщелачивания) трещин. Карст обуславливает специфические формы рельефа. Главная особенность его - наличие карстовых воронок диаметром от нескольких до сотен метров и глубиной до 20 - 30 м. Карст развивается тем интенсивнее, чем больше выпадает осадков и чем больше скорость движения подземных потоков.

Районы, подверженные карсту, характеризуются быстрым поглощением осадков.

В пределах массивов закарстованных пород выделяют зоны нисходящего движения воды и горизонтального - в сторону речных долин, моря и т.д.

В карстовых пещерах наблюдаются натечные образования преимущественного карбонатного состава - сталактиты (нарастающие вниз) и сталагмиты (растущие снизу). Карст ослабляет горные породы, снижает их количество как основание для ГТС. По карстовым пустотам возможна значительная утечка воды из водохранилищ и каналов. И в то же время подземные воды, заключенные в закарстованных породах, могут быть ценным источником для водоснабжения и орошения.

К разрушительной деятельности подземных вод относится суффозия (подкапывание) - это механический вынос мелких частиц из рыхлых пород, который приводит к образованию пустот. Такие процессы могут наблюдаться в лессах и лессовидных породах. Кроме механической различают химическую суффозию, примером которой является карст.

Созидательная работа подземных вод проявляется в отложении ими различных соединений, цементирующих трещины в горных породах.

Контрольные вопросы:

1 Дайте классификацию подземных вод.

2. При каких условиях образуются грунтовые воды?

3. При каких условиях образуются артезианские грунтовые воды?

4. В чем проявляется геологическая деятельность подземных вод?

5. Назовите основные типы подземных вод.

6. Как влияет верховодка на строительство?