Не все подземные воды – грунтовые. Отличие грунтовых вод от других видов подземной воды состоит в условиях их залегания в толще горных пород.
Название «подземные воды» говорит само за себя – это вода, которая находится в под землей, то есть в земной коре, в верхней ее части, причем находиться там она может в любом из своих агрегатных состояний – в виде жидкости, льда или газа.
Основные классы подземных вод
Подземная вода бывает разная. перечисли основные виды подземных вод.
Почвенная вода
Почвенная вода содержится в почве, заполняя промежутки между ее частицами, или поровое пространство. Почвенная вода может быть свободной (гравитационной) и подчиняться только силе тяжести, и связанной, то есть удерживаться силами молекулярного притяжения.
Грунтовая вода
Грунтовая вода и ее подвид, называемый верховодкой – это ближайший к поверхности земли водоносный горизонт, залегающий на первом водоупоре. (Водоупор, или водоупорный слой грунта - это почвенный слой, который практически не пропускает воду. Фильтрация сквозь водоупор или очень низкая, или же слой полностью водонепроницаем – например, толщи скальных грунтов). Грунтовая вода крайне непостоянна по многим факторам, и именно грунтовая вода влияет на условия строительства, диктует выбор фундамента и технологии при проектировании сооружений. Дальнейшая эксплуатация созданных руками человека построек также находится под неустанным влиянием меняющегося поведения грунтовой воды.
Межпластовая вода
Межпластовая вода – находится ниже грунтовой воды, под первым водоупором. Эта вода ограничена двумя водоупорными слоями и может находиться между ними под значительным давлением, заполняя водоносный горизонт полностью. Отличается от грунтовой воды большим постоянством своего уровня, и конечно, большей чистотой, причем чистота межпластовой воды может быть следствием не только фильтрации.
Артезианская вода
Артезианская вода – так же, как и межпластовая, заключена между слоями водоупоров и находится там под давлением, то есть относится к напорным водам. Глубина залегания артезианских вод – примерно от ста до тысячи метров. Различные геологические подземные структуры, мульды, впадины и т.п., располагают к образованию подземных озер – артезианских бассейнов. Когда такой бассейн вскрывается при бурении шурфов или скважин, артезианская вода под давлением поднимается выше своего водоносного пласта и может дать очень мощный фонтан.
Минеральная вода
Минеральная вода - интересна для строителя, наверное, только в одном случае, если ее источник окажется на участке, хотя и не вся эта вода полезна для человека. Минеральная вода – это вода, содержащая растворы солей, биологически активных веществ и микроэлементы. Состав минеральной воды, ее физика и химия - очень сложный, это система коллоидов и связанных и несвязанных газов, и вещества в этой системе могут находится как недиссоциированными, в виде молекул, так и в виде ионов.
Грунтовые воды
Грунтовые воды – это первый от поверхности почвы постоянный водоносный горизонт, находящийся на первом водоупоре. Поэтому поверхность этого слоя – свободна, за редкими исключениями. Иногда над потоками грунтовых вод встречаются участки плотных пород – водонепроницаемая кровля.
Залегают грунтовые воды недалеко от поверхности, и поэтому очень зависят от погоды на поверхности земли – от количества атмосферных осадков, движения поверхностных вод, уровня водоемов, все эти факторы влияют на питание подземной воды. Особенность и отличие грунтовой воды от других видов – она безнапорная. Верховодка, или скопления воды верхнего водонасыщенного грунтового слоя над водоупорами из глин и суглинков с малой фильтрацией – это разновидность грунтовой воды, проявляющаяся временно, по сезонам.
На грунтовую воду и непостоянство ее состава, поведения и мощности горизонта влияют как природные факторы, так и деятельность человека. Горизонт грунтовой воды непостоянный, он зависит от свойств горных пород и их водосодержания, близости водоемов и рек, климата местности – температуры и влажности, связанных с испарением и т. далее.
Но серьезное и все более опасное влияние на грунтовую воду оказывает человеческая деятельность – мелиорация и гидротехническое строительство, подземные работы по добыче полезных ископаемых, нефти и газа. Не менее результативной в контексте опасности стала агротехника с применением минеральных удобрений, пестицидов и ядохимикатов, и конечно, промышленные стоки.
Грунтовая вода очень доступна, и если роют колодец или бурят скважину – то в большинстве случаев получают именно грунтовую воду. И свойства ее могут оказаться весьма негативны, поскольку эта водичка зависит от чистоты почвы и служит ее показателем. Все заражения от канализационных протечек, свалок, пестициды с полей, нефтепродукты и прочие результаты деятельности человека попадают в грунтовые воды.
Грунтовая вода и проблемы для строителей
Морозное пучение грунтов находится в прямой и непосредственной зависимости от присутствия грунтовой воды. Разрушения от сил морозного пучения могут быть огромны. При замерзании глинистые и суглинистые грунты получают питание в том числе и от нижнего водоносного горизонта, и в результате этого подсоса могут образовывать целые прослойки из льда.
Давление на подземные части сооружений может достигать огромных величин – 200 Мпа, или 3,2 тн/см2 далеко не предел. Сезонные подвижки грунтов на десятки сантиметров нередки. Возможные последствия действия сил морозного пучения, если их не предусмотрели или учли недостаточно, могут быть: выталкивание фундаментов из земли, затопление подвалов, разрушение дорожных покрытий, затопление и размывание траншей и котлованов и много еще разного негатива.
Кроме физического влияния, грунтовые воды способны разрушать фундаменты и химически, все зависит от степени их агрессивности. При проектировании эта агрессивность исследуется, проводятся как геологические, так и гидрологические изыскания.
Влияние грунтовых вод на бетон
Агрессивность грунтовых вод к бетону различают по типам, рассмотрим их ниже.
По общекислотному показателю
При водородном числе рН менее 4 агрессивность к бетону считают наибольшей, при значении рН более 6,5 – наименьшей. Но малая агрессивность воды вовсе не отменяет необходимости защиты бетона устройством гидроизоляции. Кроме того, имеется сильная зависимость влияния агрессии воды от видов бетона и его вяжущего, в том числе от марки цемента.
Выщелачивающие, магнезиальные и углекислотные воды
Все так или иначе разрушают бетон или способствуют процессу разрушения.
Сульфатные воды
Сульфатные воды относят к наиболее агрессивным к бетону. Ионы сульфатов проникают в бетон и реагируют с соединениями кальция. Образующиеся кристаллогидраты вызывают вспучивание и разрушение бетона.
Методы минимизации рисков от грунтовых вод
Но даже в тех случаях, когда имеется информация о неагрессивности грунтовых вод к бетону в данной местности, отмена устройства гидроизоляции подземных частей здания чревата хорошим уменьшением срока службы бетонных конструкций. Слишком большое влияние оказывают на природу, в том числе грунтовую воду и степень ее агрессии техногенные факторы. Возможность близкого строительства – это одна из причин подвижек грунта и как следствие, изменения поведения грунтовых вод. А химия и ее «накопление», в свою очередь, находится в прямой зависимости от близости сельскохозяйственных угодий.
Учет уровня грунтовых вод, а также сезонных изменений этого уровня – для частной стройки архиважен. Высокая грунтовая вода - это ограничение в выборе. От нее зависит если не вся, то огромная доля экономики индивидуального строителя. Без учета поведения и высоты грунтовой воды нельзя выбирать тип фундамента для дома, принимать решения о возможности устройства подвала и подвального помещения, устраивать погреба и канализационный септик. Дорожки, площадки и все благоустройство участка, включая и озеленение, также требуют на стадии проектирования серьезнейшего учета влияния грунтовой воды. Дело осложняется тем, что ее поведение находится в тесной связи со структурой и видами грунтов на участке. Воду и грунты надо изучать и рассматривать в комплексе.
Верховодка, как разновидность грунтовой воды, может создавать огромные проблемы, и не всегда сезонные. Если у вас песчаные грунты, а дом построен на высоком берегу реки, то сезонных верховодок вы можете и не заметить, вода уйдет быстро. Но если рядом озеро или река, и дом стоит на низком берегу, то даже при наличии песочка в основании участка вы будете на одном уровне с водоемом – как сообщающиеся сосуды, и в этом случае борьба с верховодкой вряд ли будет успешной, как и любая борьба с природой.
В случае, когда грунт – не песок, водоемы и реки далеко, но грунтовая вода очень высокая, ваш вариант – это создание эффективной дренажной системы. Каким будет ваш дренаж - кольцевым, пристенным, пластовым, самотечным или с использованием откачивающих насосов, решается индивидуально, и учесть надо многие факторы. Для этого надо иметь информацию о геологии участка.
В некоторых случаях дренаж не поможет, например, если вы находитесь в низине, а мелиорационного канала поблизости нет и воду отводить некуда. Также не всегда под первым водонесущим слоем оказывается безнапорный слой, в который возможно отвести верховодку, эффект от бурения скважины может быть и обратный – вы получите ключ или фонтан. В случаях, когда устройство дренажа не принесет результата, прибегают к устройству искусственных насыпей. Поднять участок на уровень, где грунтовые воды не достанут вас и ваш фундамент - затратное экономически, но иногда единственно верное решение. Каждый случай индивидуален, и решения хозяин принимает исходя из гидрогеологии своего участка.
Но в очень многих случаях вопрос решается именно дренажом, и важно правильно выбрать его систему и грамотно организовать водоотвод.
Узнать уровень грунтовой воды у себя на участке и отслеживать его изменения – с этими вопросами владельцы индивидуальных участков справляются самостоятельно. Весной и осенью обычно УГВ выше, чем зимой и летом, это связано с интенсивным снеготаянием, сезонностью атмосферных осадков, возможно с затяжными дождями в осенний период. Узнать уровень грунтовой воды можно, измерив его в колодце, шурфе или скважине, от водяного зеркала до поверхности грунта. Если пробить несколько скважин у себя на участке, по его границам, то несложно отследить сезонные изменения УГВ, а на полученных данных возможно принимать решения по строительству - начиная от выбора фундамента и систем водоотвода, и заканчивая планированием огородных посадок, разбивки сада, благоустройством, а также разработкой ландшафтного дизайна.
Все воды, находящиеся в толще горных пород в твердом, жидком или газообразном состоянии, называются подземными
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/дм 3 , 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 и безнапорность. 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, называемуюзеркалом 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. 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 ненапорными и напорными. Межпластовые ненапорные 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 ненапорными 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 м 3 /ч. Трещинные воды создают значительные трудности при строительстве подземных сооружений.
Подземные воды в городе
В городах спрос на воду велик, но подземные водные ресурсы ограничены. Во многом процесс восстановления водных ресурсов зависит от состояния самой городской среды, её экологии. Этот немаловажный фактор отвечает не только за объём подземных водных ресурсов, но и за уровень их загрязнения.
В последние годы изучение грунтовых вод городских пространств входит в состав раздела гидрогеологии.
Проблемы, возникающие при взаимодействии грунтовых вод с городской средой это и загрязнение грунтовых вод через сточные трубы канализации, и понижение уровня подземных вод насосными системами, и угроза затопления грунтовыми водами подземных пространств городской среды (например, метро).
Сейчас вопрос о сохранении и защите грунтовых вод от загрязнения стоит особенно остро. Ведь именно от них во многом зависит стабильность развития большинства городов, что выводит проблему на уровень мирового масштаба.
Отталкиваясь от поставленных задач и основываясь на последних достижениях в области гидрогеологии, учёными разрабатываются новые схемы контроля и наблюдения за уровнем загрязнения грунтовых вод, их активностью в пределах подземного пространства городской среды.
И всё же, какую бы важную роль в процессе развития городского пространства не играла его связь с грунтовыми водами, совершенно очевидно, что в данном виде взаимодействия городской среде отведён удел внешнего ограничителя, нежели равноправного участника.
Многие города используют подземную воду, как питьевую. Все знают, что вода - это восполняемый ресурс, но в то же время сильно подверженный влиянию внешних факторов. Очень важно следить за уровнем грунтовых вод и степенью их загрязнения. Для стабильного развития городского пространства этот хрупкий баланс крайне важен. Халатное отношение к водным ресурсам приводит к весьма плачевным последствиям. Например, в Мехико постоянное снижение уровня грунтовых вод привело к просадке грунта, а затем и к экологическим проблемам.
Показатели подземных вод в Российской ФедерацииРесурсный потенциал подземных вод России составляет 869,1 млн. м 3 /сут и распределен по территории неравномерно, что определяется разнообразием геолого-гидрогеологических условий и климатическими особенностями.
На Европейской территории России его величина составляет 346,4 млн. м 3 /сут и изменяется от 74,1 млн. м 3 /сут в Центральном до 117,7 млн. м 3 /сут в Северо-Западном федеральных округах; на Азиатской территории России – 522,7 млн. м 3 /сут и колеблется от 159,2 млн. м 3 /сут в Дальневосточном до 250,9 млн. м 3 /сут в Сибирском федеральных округах.
Современная роль подземных вод в хозяйственно-питьевом водоснабжении населения Российской Федерации характеризуется следующими показателями. Доля подземных вод в балансе хозяйственно-питьевого водоснабжения (из поверхностных и подземных водоисточников) составляет 45%.
Более 60% городов и поселков городского типа удовлетворяют потребности в питьевой воде, используя подземные воды, а около 20% из них имеют смешанные источники водоснабжения.
В сельской местности на подземные воды в хозяйственно-питьевом водоснабжении приходится 80–85% общего водопотребления.
Наиболее сложной проблемой является обеспечение питьевой водой населения крупных городов. Около 35% крупных городов практически не имеют подземных источников централизованного водоснабжения, а для 37 городов вообще отсутствуют разведанные запасы подземных вод.
Степень использования подземных вод в хозяйственно-питьевом водоснабжении населения определяется как закономерностями распределения ресурсов подземных вод по территории России, так и проводимой многие годы политикой обеспечения населения питьевой водой путем приоритетного использования поверхностных вод.
В настоящее время отмечается низкий уровень использования разведанных месторождений подземных вод и их запасов. Средний уровень использования общих разведанных запасов составляет 18–20%, а в пределах эксплуатируемых месторождений с разведанными запасами – 30–32%.
За последние 5 лет прирост оцененных эксплуатационных запасов составил 6,8 млн. м 3 /сут.
Из подземных источников для удовлетворения питьевых нужд населения и водоснабжения объектов промышленности забрано 28,2 млн. м 3 /сут воды. Суммарная величина добычи и извлечения подземных вод составила 33,1 млн. м 3 /сут, без использования сброшено 5,9 млн. м 3 /сут (17,8% общей величины извлечения и добычи подземных вод).
Для хозяйственных нужд использовано 27,2 млн. м 3 /сут, в том числе: на хозяйственно-питьевое водоснабжение 20,6 млн. м 3 /сут (76%); производственно-техническое водоснабжение – 6,0 млн. м 3 /сут (22%); орошение земель и обводнение пастбищ – 0,5 млн. м 3 /сут (2%).
В результате извлечения и добычи подземных вод на отдельных территориях образовались крупные региональные депрессионные воронки, площади которых достигают значительных размеров (до 50 тыс. км 2), а снижение уровня в центре – до 65–130 м (города Брянск, Курск, Москва, Санкт-Петербург).
В г. Брянск региональная депрессионная воронка, образовавшаяся в верхнедевонском водоносном комплексе, имеет радиус более 150 км и понижение уровня более 80 м. Обширные воронки депрессии образовались в районе городов Курск и Железногорск и на Михайловском железорудном карьере. “Курская” депрессионная воронка в баткелловейском водоносном горизонте имеет радиус 90–115 км, снижение уровня в центре – 64,5 м. На Михайловском карьере воронка достигла 60–90 км в радиусе, уровень понизился с начала осушения карьера на 77,4 м.
В Московском регионе интенсивная эксплуатация подземных вод нижнекаменноугольного водоносного комплекса в течение 100 лет привела к формированию обширной глубокой воронки, площадь которой превышает 20 тыс. км 2 , а максимальное понижение уровня – 110 м. Многолетняя эксплуатация подземных вод гдовского водоносного горизонта в Санкт-Петербурге обусловила образование региональной депрессионной воронки общей площадью до 20 тыс. км 2 с понижением уровня до 35 м.
На территории России, по данным государственного мониторинга состояния недр МПР России, выявлено 4002 участка загрязнения, из них более 80% находится в грунтовых водоносных горизонтах, обычно не являющихся источниками питьевого водоснабжения населения.
По экспертным оценкам, в Российской Федерации доля загрязненных подземных вод не превышает 5–6% объема их использования для питьевого водоснабжения населения.
Наибольшее число участков загрязнения подземных вод расположено на территории следующих федеральных округов: Приволжского (30%), Сибирского (23%); Центрального (16%) и Южного (15%). Из общего количества участков загрязнения подземных вод:
§ на 40% загрязнение связано с промышленными предприятиями;
§ на 20% – с сельскохозяйственным производством;
§ на 9% – с жилищно-коммунальным хозяйством,
§ на 4% загрязнение происходит в результате подтягивания некондиционных природных вод при нарушении режима эксплуатации водозаборов;
§ на 10% загрязнение подземных вод “смешанное” и обусловлено деятельностью промышленных, коммунальных и сельскохозяйственных объектов;
§ для 17% участков источник загрязнения подземных вод не установлен.
Наиболее напряженная экологическая обстановка сложилась на участках загрязнения подземных вод веществами I класса опасности. Эти участки выявлены в районах отдельных крупных промышленных предприятий в следующих городах и поселках: Амурск (ртуть), Ачинск (фосфор), Байкальск (ртуть), Георгиевск (ртуть), Ессентуки (ртуть), Екатеринбург (фосфор), Искитим (бериллий), Новокузнецк (фосфор), Казань (бериллий, ртуть), Кисловодск (фосфор), Минеральные Воды (ртуть), Лермонтов (ртуть), Комсомольск-на-Амуре (бериллий), Магнитогорск (тетраэтилсвинец), Новосибирск (бериллий, ртуть), Саянск (ртуть), Свободный (ртуть), Усолье-Сибирское (ртуть), Хабаровск (бериллий, ртуть), Череповец (бериллий) и др.
Наибольшую экологическую опасность представляет загрязнение подземных вод, выявленное в отдельных скважинах на водозаборах питьевого водоснабжения.
Подземными являются воды, располагающиеся под поверхностью земли. Их физическое состояние может быть любым, но для хозяйственных целей интерес представляют именно жидкие водные запасы. Чтобы оптимально использовать данный ресурс, требуется ответ, как образуются подземные воды и каких видов они бывают.
Распределяются подземные воды неравномерно. В самых глубоких слоях, которые состоят из пород высокой плотности, образованных магматическими и метаморфическими процессами, влаги немного. Основная ее часть располагается в поверхностных слоях, состоящих из пород осадочного происхождения.
Водные запасы верхней части разделяются еще на три слоя. Влага верхнего слоя чаще всего является пресной и применяется для разнообразных нужд. В среднем слое встречаются минерализованные воды. Ниже располагаются рассолы с высокой минерализацией и значительным содержанием йода, брома и некоторых других минералов.
Разновидности подземных вод верхнего слоя
Воды поверхностного слоя разделяются на разновидности.
- Первый вид – это верховодка. Она расположена наиболее близко к поверхности грунта и привязана к самому верхнему водоупорному слою. Верховодка непостоянна: в сухой период, при недостатке осадков может исчезать. Чаще всего это воды со слабой минерализацией, но нередко имеющие органические загрязнения и растворенные соли. В качестве источника водоснабжения верховодка является не лучшим вариантом.
- Грунтовые воды находятся сразу над верхним водоупорным горизонтов. Они обладают относительно стабильным соотношением прихода и расхода. Накапливаются эти воды в рыхлых грунтах и разнообразных трещинах. На изменения уровня влияют осадки, деятельность человека, рельеф, климат и прочие факторы.
- Артезианские воды имеют другое название — напорные. Они располагаются между двумя слоями из водоупорных пород. На них действует гидростатическое давление из-за различия уровня питания и выхода на поверхность. У артезианских вод области питания могут быть удалены на весьма значительные расстояния, а их площадь нередко огромна.
Способы формирования подземных вод
Создание запасов подземных вод осуществляется несколькими способами. Одним из главных является просачивание поверхностной влаги и осадков с поверхности в глубину. Этот способ называется инфильтрацией. Помимо осадков в данном процессе участвуют воды всех поверхностных источников. Количество проникающей влаги существенно зависит от характеристик грунта. Если рассматривать осадки, то вглубь уходит около двадцати процентов влаги. Все это входит в глобальный процесс круговорота воды.
Проникающая вода опускается вглубь до слоя из водонепроницаемой породы. Там она задерживается и начинает пропитывать окружающие породы, имеющие поры и трещины. Итогом становится водоносный горизонт.
Процесс просачивания зависит от характеристик поверхностного грунта, который может быть водопроницаемым, полупроницаемым и водоупорным. Проницаемыми для воды являются песчаные, гравийные слои, галечники и крупнообломочные породы. Водонепроницаемыми являются породы созданные магмой или метаморфическими процессами, например, гранитные и глинистые. Относительно проницаемыми являются глинистые пески, песчаники с рыхлой структурой и некоторые другие.
Объемы проникающей влаги зависят не только от характеристик грунта. На этот показатель влияют также рельеф (чем больше наклон, тем больше осадков стекает, не проникая в грунт), количество и особенности растительности и некоторые другие.
На многих территориях именно инфильтрация обеспечивает формирование подземных вод. Однако не стоит забывать и про другие способы, несмотря на их малую долю. Подземная вода образуется путем осаждения водяного пара в пустотах горных пород. Еще один способ – образование ювенильных, т.е. первичных вод. Они возникают при разделении и застывании магмы. Однако чистых ювенильных вод практически не существует, т.к. они сразу же смешиваются с прочими.
Формирование подземных вод происходит постоянно, поэтому их можно считать неисчерпаемым водным ресурсом. Однако при использовании следует соблюдать осторожность. При проникновении в водоупорный горизонт загрязнений исправить ситуацию оказывается очень сложно.
Гидрогеология (от др.-греч. ὕδωρ «вода» + геология) - наука, изучающая происхождение, условия залегания, состав и закономерности движений подземных вод. Также изучается взаимодействие подземных вод с горными породам, поверхностными водами и атмосферой.
В сферу этой науки входят такие вопросы, как динамика подземных вод, гидрогеохимия, поиск и разведка подземных вод, а также мелиоративная и региональная гидрогеология. Гидрогеология тесно связана с гидрологией и геологией, в том числе и с инженерной геологией, метеорологией, геохимией, геофизикой и другими науками о Земле. Она опирается на данные математики, физики, химии и широко использует их методы исследования.
Данные гидрогеологии используются, в частности, для решения вопросов водоснабжения, мелиорации и эксплуатации месторождений.
Подземные воды.
Подземными считаются все воды земной коры, находящиеся ниже поверхности Земли в горных породах в газообразном, жидком и твердом состояниях. Подземные воды составляют часть гидросферы - водной оболочки земного шара. Запасы пресной воды в недрах Земли составляют до 1/3 вод Мирового океана. В России известно порядка 3367 месторождений подземных вод, из них эксплуатируется менее 50%. Иногда подземные воды вызывают оползни, заболачивание территорий, осадку грунта, они затрудняют ведение горных работ в шахтах, для уменьшения притока подземных вод проводят осушение месторождений и сооружают водоотливы.
История гидрогеологии
Накопление знаний о подземных водах, начавшееся с древнейших времен, ускорилось с появлением городов и поливного земледелия. В частности, свою лепту внесло сооружение копаных колодцев, строившихся в 2-3 тыс. до н. э. в Египте, Средней Азии, Китае и Индии и достигавших глубин в несколько десятков метров. Примерно в этот же период появилось лечение минеральными водами.
Первые представления о свойствах и происхождении природных вод, условиях их накопления и круговороте воды на Земле были описаны в работах древнегреческих ученых Фалеса и Аристотеля, а также древнеримских Тита Лукреция Кара и Витрувия. Изучению подземных вод способствовало расширение работ, связанных с водоснабжением в Египте, Израиле, Греции и Римской империи. Возникло понятия о ненапорных, напорных и самоизливающихся водах. Последние получили в 12 веке н. э. название артезианских - от названия провинции Артуа (древнее название - Артезия) во Франции.
В России первые научные представления о подземных водах как о природных растворах, их образовании путем инфильтрации атмосферных осадков и геологической деятельности подземных вод были высказаны М. В. Ломоносовым в сочинении «О слоях земных» (1763 г.). До середины 19 века учение о подземных водах развивалось как составная часть геологии, после чего обособилось в отдельную дисциплину.
Распределение подземных вод в земной коре
Подземные воды в земной коре распределены в двух этажах. Нижний этаж, сложенный плотными магматическими и метаморфическими породами, содержит ограниченное количество воды. Основная масса воды находится в верхнем слое осадочных пород. В нем выделяют три зоны - верхнюю зону свободного водообмена, среднюю зону водообмена и нижнюю зону замедленного водообмена.
Воды верхней зоны обычно пресные и служат для питьевого, хозяйственного и технического водоснабжения. В средней зоне располагаются минеральные воды различного состава. В нижней зоне находятся высокоминерализованные рассолы. Из них добывают бром, йод и другие вещества.
Поверхность грунтовых вод называется «зеркалом грунтовых вод». Расстояние от зеркала грунтовых вод до водоупорного слоя называют «мощностью водоупорного слоя».
Формирование подземных вод
Подземные воды образуются различными способами. Один из основных способов образования подземной воды - просачивание, или инфильтрация, атмосферных осадков и поверхностных вод. Просачивающаяся вода доходит до водоупорного слоя и накапливается на нем, насыщая породы пористого и пористо-трещинноватого характера. Так возникают водоносные слои, или горизонты подземных вод. Кроме того, подземные воды формируются путём конденсации водяных паров. Выделяются также подземные воды ювенильного происхождения.
Два основных способа образования подземных вод - путём инфильтрации и за счёт конденсации водяных паров атмосферы в породах - главные пути накопления подземных вод. Инфильтрационные и конденсационные воды называются вандозными водами (лат. vadare - идти, двигаться). Эти воды образуются из влаги атмосферы и участвуют в общем круговороте воды в природе.
Инфильтрация
Подземные воды формируются из вод атмосферных осадков, выпадающих на земную поверхность и просачивающихся в грунт на некоторую глубину, а также из вод болот, рек, озёр и водохранилищ, также просачивающихся в землю. Количество влаги, попадающей таким образом в почву, составляет 15-20 % от общего количества выпавших атмосферных осадков.
Проникновение вод в грунты зависит от физических свойств этих грунтов. В отношении водопроницаемости грунты делятся на три основные группы - водопроницаемые, полупроницаемые и водонепроницаемые или водоупорные. К водопроницаемым породам относятся крупнообломочные породы, галечник, гравий, пески и трещиноватые породы. К водонепроницаемым породам - плотные магматические и метаморфические породы, такие как гранит и мрамор, а также глины. К полупроницаемым породам относятся глинистые пески, лёсс, рыхлые песчаники и рыхловатые мергели.
Количество воды, просочившийся в грунт, зависит не только от его физических свойств, но и от количества атмосферных осадков, наклона местности и растительного покрова. При этом длительный моросящий дождь создаёт лучшие условия для просачивания, нежели обильный ливень.
Крутые склоны местности увеличивают поверхностный сток и уменьшают просачивание атмосферных осадков в грунт, а пологие, наоборот, увеличивают просачивание. Растительный покров увеличивает испарение выпавшей влаги, но, в то же время задерживает поверхностный сток, что способствует просачиванию влаги в грунт.
Для многих территорий земного шара инфильтрация является основным способом образования подземных вод.
Подземные воды также могут образовываться за счёт искусственных гидротехнических сооружений, например таких, как оросительные каналы.
Конденсация водных паров
Второй путь образования подземных вод - это конденсация водяных паров в горных породах.
Ювенильные воды
Ювенильные воды - ещё один способ образования подземных вод. Такие воды выделяются при дифференциации магматического очага и являются «первичными». В природных условиях чистых ювенильных вод не существует: подземные воды, возникшие разными способами, смешиваются друг с другом.
Классификация подземных вод
Выделяется три типа подземных вод: верховодка, грунтовые и напорные (артезианские). В зависимости от степени минерализации выделяют пресные подземные воды, соленые, солоноватые и рассолы, по температуре они делятся на переохлажденные, холодные и термальные, а в зависимости от качества подземной воды ее подразделяют на техническую и питьевую.
Верховодка
Верховодка – подземные воды, залегающие вблизи поверхности земли и отличающиеся непостоянством распространения и дебита. Верховодка приурочена к первому от поверхности земли водоупорному пласту и занимает ограниченные территории. Верховодка существует в период достаточного увлажнения, а в засушливое время исчезает. В тех случаях, когда водоупорный пласт залегает вблизи поверхности или выходит на поверхность, развивается заболачивание. К верховодке также нередко относят почвенные воды, или воды почвенного слоя, представленные почти связанной водой, где капельно-жидкая вода присутствует только в период избыточного увлажнения.
Воды верховодки обычно пресные, слабоминерализованные, но часто бывают загрязнены органическими веществами и содержат повышенные количества железа и кремнекислоты. Как правило, верховодка не может служить хорошим источником водоснабжения. Однако при необходимости принимаются меры для искусственного сохранения этого типа вод: устраивают пруды, отводы из рек, обеспечивающие постоянным питанием эксплуатируемые колодцы, насаждения растительности или задерживающие снеготаяние.
Грунтовые воды
Грунтовыми водами называются воды, залегающие на первом водоупорном горизонте ниже верховодки. Они характеризуются более или менее постоянным дебитом. Грунтовые воды могут накапливаться как в рыхлых пористых породах, так и в твердых трещиноватых коллекторах. Уровень грунтовых вод подвержен постоянным колебаниям, на него влияют количество и качество выпадающих осадков, климат, рельеф, наличие растительного покрова и хозяйственная деятельность человека. Грунтовые воды являются одним из источников водоснабжения, выходы подземных вод на поверхность называются родниками, или ключами.
Артезианские воды
Напорные (артезианские) воды – воды, которые находятся в водоносном слое, заключенном между водоупорными слоями, и испытывают гидростатическое давление, обусловленное разностью уровней в месте питания и выхода воды на поверхность. Характеризуются постоянством дебита. Область питания у артезианских вод, размеры бассейнов которых достигают иногда тысячи километров, лежит обычно выше области стока воды и выше выхода напорных вод на поверхность Земли. Области питания артезианских бассейнов иногда значительно удалены от мест извлечения воды – в частности, в некоторых оазисах Сахары получают воду, выпавшую в виде осадков над Европой.
Артезианские воды (от Artesium, латинского названия французской провинции Артуа, где эти воды издавна использовались) - напорные подземные воды, заключенные в водоносных пластах горных пород между водоупорными слоями. Обычно встречаются в пределах определенных геологических структур (впадин, мульд, флексур и др.), образуя артезианские бассейны. При вскрытии поднимаются выше кровли водоносного пласта, иногда фонтанируют.
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.
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?