» Строительство »

Підземні води

  1. Таблиця 1
  2. походження підземних вод
  3. харчування річок підземними водами і розрахунок підземного стоку
  4. Основні проблеми використання і захисту підземних вод

Всі води земної кори, що знаходяться нижче поверхні Землі в гірських породах в газоподібному, рідкому і твердому станах, називаються підземними водами.

Підземні води складають частину гідросфери - водної оболонки земної кулі Підземні води складають частину гідросфери - водної оболонки земної кулі. Вони зустрічаються а свердловинах на глибині до декількох кілометрів. За даними В.І. Вернандского, підземні води можуть існувати до глибини 60 км в зв'язку з тим, що молекули води навіть при температурі 2000о С диссоційовані всього на 2%

Приблизні підрахунки запасів прісної води в надрах Землі до глибини 16 кілометрів дають величину 400 мільйонів кубічних кілометрів, тобто близько 1/3 вод Світового океану.

Накопичення знань про підземні води, що почалося з найдавніших часів, прискорилося з появою міст і поливного землеробства. Мистецтво споруди копаних колодязів до кілька десятків метрів було відомо за 2000-3000 тисячі років до н.е. в Єгипті, Середньої Азії, Індії, Китаї. В цей же період з'явилося і лікування мінеральними водами.

У першому тисячолітті до нашої ери з'явилися перші уявлення про властивості і походження природних вод, умов їх накопичення і кругообігу води на Землі (в роботах Фалеса і Аристотеля - в Стародавній Греції; Тита Лукреція Кара і Вітрувій - в Стародавньому Римі, і ін.).

Вивченню підземних вод сприяло розширення робіт, пов'язаних з водопостачанням, будівництвом каптажних споруд (наприклад, кяризів у народів Кавказу, Ср. Азії), видобутком солоних вод для випаровування солі шляхом копання колодязів, а потім і буріння (територія Росії, 12-17 століття) . Пізніше виникли поняття про водах ненапорние, напірних (піднімаються знизу вгору) і самовиливних. Останні отримали назву артезіанських - від провінції Артуа (давня назва "Артезия") у Франції.

В епоху Відродження і пізніше підземним водам і їх ролі в природних процесах були присвячені роботи багатьох вчених - Агріколли, Палисси, Стено і ін.

У Росії перші наукові уявлення про підземні води як про природні розчинах, їх освіту шляхом інфільтрації атмосферних опадів і геологічної діяльності підземних вод були висловлені М.В. Ломоносовим в творі «Про шарах земних» (1763 г.).

До середини 19 століття вчення про підземні води розвивалося як складова частина геології. Потім воно відокремлюється в окрему дисципліну - гідрологію.

Загальна гідрогеологія вивчає походження підземних вод, їх фізичні та хімічні властивості, взаємодію з вміщають гірськими породами.

Вивчення підземних вод у зв'язку з історією тектонічних рухів, процесів накопичення опадів і діаногенеза дозволило підійти до історії їх формування і сприяло появі в 20 столітті нової галузі гідрогеології - палеогідрогеологіі (вчення про підземні води минулих геологічних епох).

Вивчення підземних вод у зв'язку з історією тектонічних рухів, процесів накопичення опадів і діаногенеза дозволило підійти до історії їх формування і сприяло появі в 20 столітті нової галузі гідрогеології - палеогідрогеологіі (вчення про підземні води минулих геологічних епох)

Динаміка підземних вод вивчає рух підземних вод підлогу впливом природних і штучних чинників, розробляє методи кількісної оцінки продуктивності експлуатаційних свердловин і запасів підземних вод.

Вчення про режим і баланс підземних вод розглядає зміни в підземних водах (їх рівні, температурі, хімічному складі, умовах харчування і руху), які відбуваються під впливом різних природних факторів (атмосферних опадів, і умови їх інфільтрації, випаровування, температури і вологості повітря і грунтового шару, впливу режимів поверхневих водойм, річок, техногенної діяльності людини).

У другій половині 20 століття почали розроблятися методи прогнозу режиму підземних вод, що має важливе практичне значення при експлуатації підземних вод, гідротехнічному будівництві, зрошуваному землеробстві та вирішенні інших питань.

Зараз з 510 мільйонів квадратних кілометрів площі земної кулі 361 млн. Кв. км (70,7%) займають моря і океани, утворюючи єдиний Світовий океан, решта 149 (29,3%) млн. кв. км займає суша. У північній півкулі на частку суші припадає 39,3% площі півкулі, в південному - 19,1%. Про питомій вазі елементів влагооборота і їх вплив на загальний оборот води в природі можна судити за даними, наведеними нижче:

Таблиця 1

найменування показника

обсяг

  1. Випари з океану

  2. Випари з суші

  3. сумарне випаровування

  4. Опади на поверхню океану

  5. Опади на поверхню суші

  6. сумарні опади

  7. Стік рік і підземних вод

447,9 тис. Км3

70,7 тис. Км3

518,6 тис. Км3

411,6 тис. Км3

107,0 тис. Км3

518,6 тис. Км3

36,3 тис. Км3

Під впливом сонячної енергії з поверхні Світового океану випаровується в середньому близько 450,0 тис. Км3 води. Деяка частина цієї вологи у вигляді пари переноситься повітряними течіями на материки.

При певних умовах водяні пари конденсуються і випадають у вигляді дощу, снігу, граду і т.п. Випали на сушу атмосферні опади стікають по схилах місцевості, утворюючи струмки і ріки, які несуть свої води знову в Світовий океан.

Частина опадів випаровується, частина просочується в землю, утворюючи підземні води, які підземним стоком надходять в струмки і ріки і, таким чином, також повертаються в океан. Це замкнене процес обміну між атмосферою і земною поверхнею називається кругообігом води в природі.

Таким чином, водність річок, які використовуються в народному господарстві в якості джерел води, пов'язана з влагооборота Землі і залежить від розподілу води між окремими елементами кругообігу води в природі.

походження підземних вод

Підземні води формуються в основному з вод атмосферних опадів, що випадають на земну поверхню і вод, що просочуються (інфільтруються) в землю на деяку глибину, і з вод з боліт, річок, озер і водосховищ, також просочуються в землю. Кількість вологи, проганяє таким чином в грунт, становить 15-20% загальної кількості атмосферних опадів.

Проникнення вод в грунти (водопроникність), що складають земну кору, залежить від фізичних властивостей цих грунтів. Відносно водопроникності грунти діляться на три основні групи: водопроникні, напівпроникні і водонепроникні або водотривкі.

До водопроникним порід відносяться великоуламкові породи, галечник, гравій, піски, тріщинуваті породи і т.д. До водонепроникним породам - ​​массівнокрісталліческіе породи (граніт, мармур), що мають мінімальну вбирати в себе вологу, і глини. Останні, просочившись водою, в подальшому її не пропускають. До порід напівпроникну відносяться глинисті піски, пухкі пісковики, пухкі мергелі і т.п.

Підземні води в земній корі розподілені в двох поверхах. Нижній поверх, складений щільними магматическими і метаморфічними породами, містить обмежену кількість води. Основна маса води знаходиться в верхньому шарі осадових порід. У ньому за характером водообміну з поверхневими водами виділяють три зони: зону вільного водообміну (верхню), зону уповільненої водообміну (середню) та зону вельми уповільненого водообміну (нижню). Води верхньої зони зазвичай прісні і служать для питного, господарського та технічного водопостачання. У середній зоні розташовуються мінеральні води різного складу. Це - стародавні води. У нижній зоні знаходяться високомінералізовані розсоли. З них добувають бром, йод та інші речовини.

Підземні води утворюються різними способами. Один з основних способів утворення підземної води - просочування, або інфільтрація, атмосферних опадів і поверхневих вод (озер, річок, морів і т.д.). За цією теорією, що просочується вода доходить до водотривкому шару і накопичується на ньому, насичуючи породи пористого і пористо-трещінноватого характеру. Таким чином виникають водоносні шари, або горизонти підземних вод. Поверхня ґрунтових вод, називається дзеркалом грунтових вод. Відстань від дзеркала грунтових вод до водоупора називають потужністю водотривкому шару.

Кількість води, що просочився в грунт, залежить не тільки від його фізичних властивостей, але і від кількості атмосферних опадів, нахилу місцевості до горизонту, рослинного покриву та ін. При цьому тривалий дрібний дощ створює кращі умови для просочування, ніж рясний злива, тому що чим інтенсивніше опади, тим з більшою швидкістю випала вода стікає по поверхні грунту.

Круті схили місцевості збільшують поверхневий стік і зменшують просочування атмосферних опадів в грунт; пологі, навпаки, збільшують їх просочування. Рослинний покрив (ліс) збільшує випаровування випала вологи і в той же час посилює випадання опадів. Затримуючи поверхневий стік, він сприяє просочуванню вологи в грунт.

Для багатьох територій земної кулі інфільтрація є основним способом освіти підземних вод. Однак є й інший шлях їх утворення - за рахунок конденсації водяної пари в гірських породах. У теплу пору року пружність водяної пари в повітрі більше, ніж в грунтовому шарі і нижчих гірських породах. Тому водяні пари атмосфери безупинно надходять в грунт і опускаються до шару постійних температур, розташованого на різних глибинах - від одного до декількох десятків метрів від поверхні землі. У цьому шарі рух парів повітря припиняється у зв'язку зі збільшенням пружності водяної пари при підвищенні температури в глибині Землі. Внаслідок цього виникає зустрічний потік водяної пари з глибини Землі вгору - до шару постійних температур. А в зоні постійних температур в результаті зіткнення двох потоків водяної пари відбувається їх конденсація з утворенням підземної води. Така конденсаційна вода має велике значення в пустелях, напівпустелях і сухих степах. У спекотні періоди року вона є єдиним джерелом вологи для рослинності. Таким же способом виникли основні запаси підземної води в гірських районах Західного Сибіру.

Обидва способи освіти підземних вод - шляхом інфільтрації і за рахунок конденсації водяної пари атмосфери в породах - головні шляхи накопичення підземних вод. Інфільтраційні і конденсаційні води іноді називаються вандознимі водами (від лат. "Vadare" - йти, рухатися). Ці води утворюються з вологи атмосфери і беруть участь в загальному кругообігу води в природі.

Деякі дослідники відзначають ще один спосіб утворення підземних вод - ювеніальние. Багато виходи цих вод в районах сучасної або недавньої вулканічної активності характеризуються підвищеною температурою і значною концентрацією солей і летючих компонентів. Для пояснення генезису таких вод австрійський геолог Е. Зюсс в 1902 році висунув теорію ювенільного (від лат. "Juvenilis" - незайманий). Такі води, як вважав Зюсс, утворилися з газоподібних продуктів, в достатку що виділяються при вулканічної активності і диференціації магматичної лави.

Пізніші дослідження показали, що чистих ювенільних вод, як їх розумів Е. Зюсс, в поверхневих частинах Землі не існує. У природних умовах підземні води, що виникли у різний спосіб, змішуються один з одним, набуваючи ті чи інші властивості. Однак визначення генезису підземних вод має велике значення: воно полегшує підрахунок запасів, з'ясування режиму і їх якість.

Рівень грунтових вод піддається постійним коливанням. Так, під час весняної повені та паводків рівень води в річці, піднімаючись вище рівня річкового потоку, спрямованого до річки, викликає відтік води з неї і підйом рівня грунтових вод. Це знижує висоту рівня весняних повеней. На спаді грунтові води починають живити річку, і рівень грунтових вод знижується.

Грунтові води можуть утворюватися за рахунок штучних гідротехнічних споруд наприклад таких, як зрошувальні канали. Так, при будівництві Каракумской зрошувальної системи за рахунок перекидання частини стоку сибірських річок, в пустельній частині значна кількість води витрачалося не стільки на поливні потреби, скільки на випаровування і в грунт. Сталося це внаслідок того, що велика частина зрошувальної системи проходила по піщаних грунтів, де коефіцієнт фільтрації досить високий, і не дивлячись на протифільтраційні заходи, падіння рівнів води за рахунок фільтрації води в грунт були великі. Все це, крім зменшення стоку річок, призводило до того, що містяться в грунті солі розчинялися ґрунтовими водами, і при русі підводних потоків назад в канал відбувалося його засолення і забруднення мулом.


Існує кілька класифікацій підземних вод.

За умовами руху у водоносних шарах розрізняють підземні води, циркулюючі в рихлих (піщаних, гравійних і галечникових) шарах і в тріщинуватих скельних породах.

Підземні води, що переміщаються під впливом сили тяжіння, називаються гравітаційними, або вільними, на відміну від вод, пов'язаних, утримуваних молекулярними силами, - гігроскопічних, плівкових, капілярних і кристалізаційних.

Залежно від характеру порожнеч водовмещающих порід підземні води діляться на:

  • порові - в пісках, галечниках і ін. Уламкових породах;

  • трещинние (жильні) - в скельних породах (гранітах, пісковиках);

  • карстові (тріщини-карстові) - в розчинних породах (вапняках, доломітах, гіпсах та ін.).

За умовами залягання виділяють три типи підземних вод: верховодку, грунтові е і напірні, або артезіанські.

Верховодка називаються підземні води, що залягають поблизу поверхні землі і відрізняються мінливістю розповсюдження. Зазвичай верховодка приурочена до лінзам водотривких або слабко проникних гірських порід, що перекриваються водопроникними товщами.

Верховодка займає обмежені території, це явище - тимчасове, і відбувається воно в період достатнього зволоження; в посушливий час голи верховодка зникає. Верховодка відноситься до першого від поверхні землі водотривкої пласту. У тих випадках, коли водотривких пласт залягає поблизу поверхні або виходить на поверхню, в дощові сезони розвивається заболочування.

До верховодка нерідко відносять грунтові води, або води грунтового шару. Грунтові води представлені майже пов'язаної водою. Крапельно-рідка вода в грунтах присутня тільки в період надмірного зволоження.

Грунтові води. Грунтовими називаються води, що залягають на першому водотривкому горизонті нижче верховодки. Зазвичай вони відносяться до водонепроникному пласту і характеризуються більш-менш постійним припливом води. Грунтові води можуть накопичуватися як у пухких пористих породах, так і в твердих тріщинуватих колекторах. Рівень грунтових вод являє собою нерівну поверхню, що повторює, як правило, нерівності рельєфу в згладженої формі: на височинах він нижчий, в знижених місцях - вище.

Грунтові води переміщуються у бік пониження рельєфу. Рівень грунтових вод піддається постійним коливанням - на нього впливають різні фактори: кількість і якість опадів, що випадають, клімат, рельєф, наявність рослинного покриву, господарська діяльність людини і багато іншого.

Грунтові води, що накопичуються в алювіальних відкладеннях - одне з джерел водопостачання. Вони використовуються як питна вода, для поливу. Виходи підземних вод на поверхню називаються джерелами, або ключами.

Напірні, або артезіанські води. Напірними називають такі води, які знаходяться в водоносному шарі, укладеному між водотривкими шарами, і відчувають гідростатичний тиск, обумовлений різницею рівнів в місці харчування і виходу води на поверхню. Область харчування у артезіанських вод звичайно лежить вище області стоку води і вище виходу напірних вод на поверхню Землі. Якщо в центрі такий чаші залежить артезіанську свердловину, то вода з неї буде витікати у вигляді фонтану за законом сполучених посудин.

Розміри артезіанських басейнів бувають досить значними - до сотень і навіть тисячі кілометрів. Області харчування таких басейнів часто значно віддалені від місць вилучення води. Так, воду, випала у вигляді опадів на території Німеччини та Польщі, отримують в артезіанських свердловинах, пробурених в Москві; в деяких оазисах Сахари одержують воду, випала у вигляді опадів над Європою.

Артезіанські води характеризуються сталістю води і гарною якістю, що важливо для її практичного використання.

За походженням виділяється декілька типів підземних вод.

Інфільтраційні води утворюються Завдяк просочування з поверхні Землі дощових, Таліха и річкових вод. По складу смороду в основном гідрокарбонатно-кальцієві и магнієві. При вилуговуванні гіпсоносних порід формуються сульфатно-кальцієві, а при розчиненні соленосних - хлоридно-натрієві води.

Конденсаційні підземні води утворюються в результаті конденсації водяної пари в порах або тріщинах порід.

Седиментаційних води формуються в процесі геологічного осадкообразованія і зазвичай являють собою змінені захоронення води морського походження - хлоридно-натрієві, хлоридно-кальцієво-натрієві і ін. До них же відносяться похоронені розсоли солеродних басейнів, а також ультрапрісні води піщаних лінз в моренних відкладеннях.

Води, які утворюються з магми при її кристалізації і вулканічному метаморфизме гірських порід, називаються магматогенних, або ювенільний (за термінологією Е. Зюсс).

харчування річок підземними водами і розрахунок підземного стоку

Підземні води служать надійним джерелом харчування річок. Вони діють цілий рік і забезпечують живлення річок в зимову і літню межень (або при низьких рівнях стояння горизонту води), коли поверхневий стік відсутній.

При сильно сповільнених швидкостях руху грунтових вод, в порівнянні з поверхневими, підземні води в річковому стоці виступають як регулюючий чинник.

Також, при сильно сповільнених або невеликих швидкостях руху грунтових вод, на річках Крайньої Півночі при низьких температурах повітря, спостерігається перемерзання (повне або часткове) річки, і тоді вода заходить з підпірної частині того водойми, в яку впадає річка (це може бути головна річка , море, озеро і т.п.). Такі явища спостерігаються, наприклад, в п. Нижнеянськ, який знаходиться в 25 км від гирла р.Яни, де в період стояння низьких температур і повного перемерзання ріки на перекатах, з підпору в русло ріки вище за течією від місця перемерзання, заходить солона вода з Північного Льодовитого океану.

Кількісною мірою харчування служить значення підземного стоку, який, в свою чергу, характеризується так званим модулем підземного стоку:

М подз. = К • М 0/100,

де М подз. - модуль підземного стоку, л / сек з 1 км2 водозбірній площі;

М 0 - середній багаторічний модуль загального стоку, л / сек з 1 км2 поверхневого водозбірного басейну;

К - модульний коефіцієнт, що показує відсоток підземного стоку в загальному стоці і що визначається за формулою

К = М min / М 0,

де М min - мінімальний модуль стоку, л / сек з 1 км2 поверхневого водозбірного басейну, який визначається за зимовим витраті річки і рівний модулю підземного стоку, тому що річки взимку живляться переважно підземними водами.

Модуль підземного стоку є надійним показником для оцінки водоносність гірських порід, поширених на площі водозбірного басейну будь-якої річки, тому що він являє собою ту кількість підземної води (в л / сек), що надходить в річку з 1 кв. км того або іншого водоносного горизонту, дреніруємой рікою.

Крім цих формул, величина підземного стоку може бути визначена гідрохімічних методом (по А.Т. Іванову):


Іванову):

де Q подз - річний обсяг підземного стоку;

Q 0 - річний обсяг річкового стоку;

с - концентрація будь-якого компонента (наприклад, хлору) в річковій воді в період спостережень;

c 1 - концентрація того ж компонента в підземних водах в той же період;

c 2 - концентрація того ж компонента в поверхневих водах в той же період.

Згідно Б.І. Куделіну, для більш точного розрахунку підземного стоку малих і середніх річок пропонується розрізняти чотири типи живлення річок підземними водами:

    1. Харчування грунтовими водами, гідравлічно не пов'язаними з річкою;

    2. Харчування грунтовими водами, гідравлічно пов'язаними з річкою;

    3. Змішане грунтове харчування (a + b);

    4. Змішане грунтове і артезіанське харчування (a + b + c).

Згідно цих даних Б.І. Куделін були запропоновані формули для визначення шару h подз і коефіцієнта підземного стоку α подз. Шар підземного стоку виражається в міліметрах на рік (або будь-який інший одиниці часу) з одного квадратного кілометра площі підземного басейну і розраховується як:


де h подз - шар підземного стоку, мм / рік;

Q подз - обсяг підземного стоку з площі басейну, м 3 / рік;

F - площа басейну, м 2.

Коефіцієнт підземного стоку α подз являє собою відношення підземного стоку до опадів, що випали на площу даного річкового водозбірного басейну, і показує ту частину опадів, яка йде на харчування підземних зон дуже інтенсивного водообміну в басейні:

Коефіцієнт підземного стоку α подз являє собою відношення підземного стоку до опадів, що випали на площу даного річкового водозбірного басейну, і показує ту частину опадів, яка йде на харчування підземних зон дуже інтенсивного водообміну в басейні:

де x - шар опадів, мм / рік.

Розрахунки підземного стоку звичайно узагальнюються у вигляді карт підземного харчування, коефіцієнтів і модулів підземного стоку, що відображають природні ресурси різних видів підземних вод, розвинених в межах малих і середніх річкових басейнів і їх окремих районів і ділянок.

Основні проблеми використання і захисту підземних вод

В силу свого місцезнаходження підземні води краще захищені від зовнішніх впливів, ніж поверхневі, однак є серйозні симптоми несприятливого зміни режиму підземних вод на великих площах і в широкому діапазоні глибин. До них відносяться: виснаження і зниження рівня підземних вод через надмірне відбору; впровадження на узбережжі морських солоних вод; освіту депресійних лійок і інші.

Велику небезпеку становить забруднення підземних вод. Можна виділити два типи забруднень - бактеріальне і хімічне. У певних умовах в водоносні горизонти можуть проникати стічні і техногенні промислові води, забруднені поверхневі води та атмосферні опади.

У певних умовах в водоносні горизонти можуть проникати стічні і техногенні промислові води, забруднені поверхневі води та атмосферні опади

При створенні водосховищ в результаті підпору відбувається підвищення рівня грунтових вод. Позитивним наслідком такої зміни режиму є збільшення їх ресурсів в прибережній зоні водосховища; негативними - підтоплення прибережної зони, що викликає заболочування території, а так само засолення грунтів і грунтових вод внаслідок підвищеного їх випаровування при неглибокому заляганні.

Зважаючи на невеликі паводкових явищ (або взагалі їх відсутність) на зарегульованих річках паводковий харчування підземних вод значно зменшено. Швидкості течії на таких річках знижуються, що сприяє замулення русла; тому взаємозв'язок річкових і підземних вод утруднена.

У певних умовах відбір підземних вод може зробити істотний вплив на якість поверхневих вод. В першу чергу це відноситься до промислової експлуатації і скидання мінералізованих вод, скидання шахтних і попутних нафтових вод. Тому має передбачатися комплексне використання та регулювання ресурсів поверхневих і підземних вод. Прикладами такого підходу можуть служити використання підземних вод для зрошення в маловодні роки, а так само штучне поповнення запасів підземних вод і спорудження підземних водоймищ.

К.х.н. О.В. Мосін

список літератури

1. Новиков Ю.В., Сайфутдінов М.М. Вода і життя на Землі. - М .: Наука, 1981. - 184 с.

2. Кіссін І.Г. Вода під землею. - М .: Наука, 1976. - 224 с.

3. Бондарєв В.П. Геологія. Курс лекцій: Навчальний посібник для студентів закладів середньої професійної освіти. - М .: Форум: Инфра М., 2002. - 224 с.

4. Горошков І.Ф. Гідрологічні розрахунки. - Л .: Гидрометеоиздат, 1979. - 432 с.

5. Черданцев В.А., Пивон Ю.І. Методичні вказівки з дисципліни: «Гідрологія». - Новосибірськ: НГАЕіУ, 2004, 112 с.

6. Довідник гідрогеолога. У 2 томах. Під ред. В.П. Якуцени. - Л .: Недра, 1967. - Т.1. - 592с.

Посетители рекомендуют:
Полезно знать:
Современные строительные технологии Геология, города и строительство © Все права сохранены.