Водоносный горизонт — Википедия
Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Водоносный горизонт или аквифер (англ. aquifer)[1] — осадочная горная порода, представленная одним или несколькими переслаивающимися подземными слоями горных пород с различной степенью водопроницаемости. Из подземной прослойки водонапорной проницаемой горной породы или неконсолидированных материалов (гравий, песок, ил, глина) могут быть извлечены подземные воды с помощью скважины.
Слои частично состоят из рыхлых материалов: гравия, доломита, ила, известняка, мергеля или песка. Трещины или пустоты между слоями заполнены подземными водами. Горизонт ограничен либо двумя водоупорными пластами (обычно глиной), либо водоупорным пластом и зоной аэрации.
- Статический уровень или пьезометрический уровень в скважине, пробуренной на определенный водоносный горизонт. Измеряется в метрах от поверхности земли.
- Динамический уровень, появляющийся в том случае, когда из скважины проводится водоотбор, например, погружным насосом. Измеряется в метрах от поверхности земли.
- Забор воды из водоносного горизонта или дебит скважины измеряется в л/с, м³/ч, м³/сут, тыс. м³/год.
- Коэффициент водопроводимости измеряется в м³/сут;
- Скорость сработки статического уровня измеряется в метрах в год, показывает скорость падения уровня воды при заданном заборе воды;
- Годовая амплитуда колебания уровня воды измеряется в метрах.
- Глубина залегания подошвы слоя водоносного горизонта. Измеряется в метрах от поверхности земли.
- Глубина залегания кровли слоя водоносного горизонта. Измеряется в метрах от поверхности земли.
Для добычи воды из водоносных слоёв бурят скважины (буровые), которые являются составной частью водозаборных сооружений.
Водоносные горизонты могут находиться на разной глубине. Те из них, что расположены ближе к поверхности, не только чаще других используются в качестве источников воды для потребления и ирригации, но и чаще пополняются дождями. Многие пустынные регионы имеют в своём составе известняковые холмы или горы, которые могут содержать грунтовые воды. Поверхностные водоносные горизонты, в которых добывается вода, имеются в отдельных частях гор Атлас в Северной Африке, на хребтах Ливан и Антиливан в Сирии, Израиле и Ливане, в части Сьерра-Невада и других горах на юго-западе США.
Чрезмерное использование может привести к снижению уровня грунтовых вод. Вдоль побережья некоторых стран, например Ливии и Израиля, рост населения и увеличившееся потребление воды привели к снижению уровня подземных вод и последующему их загрязнению солёной морской водой.
Геологические материалы могут быть классифицированы как сцементированные породы или неуплотнённые (свободные) отложения. Сцементированные породы могут быть образованы песчаником, сланцеватой глиной, гранитом и базальтом. Неуплотнённые породы содержат зернистые материалы как-то: песок, галечник, ил и глину. Четырьмя главными типами аквифера являются:
- аллювий (песок, галечник и ил, отложенные реками),
- пласт осадочных пород (уплотнённые отложения),
- ледниковые отложения (неуплотнённые отложения, созданные ледниками),
- вулканические метаморфические породы.
Подземные воды в аллювиях находятся в поровом пространстве между частицами, а в уплотнённых породах — в трещинах. Количество воды, которое может вмещать аквифер, зависит от его пористости, являющейся поровым пространством между зёрнами отложений или объёмом трещин в породе. Для движения воды в породе необходимо, чтобы поровые пространства были соединены между собой. Подземные воды движутся очень медленно внутри аквифера, и скорость движения зависит от размера пространств внутри грунта или породы, соединённости между собой этих пространств и градиента давления водной поверхности.
Крупнозернистые отложения как песок и гравий обладают более высокой пористостью, чем мелкозернистые отложения как глина и ил, и лучшей соединённостью пор. Крупнозернистые материалы более проницаемы ввиду того, что они обладают большими связанными пространствами или трещинами, позволяющими воде протекать.
В некоторых случаях поровые пространства могут быть заполнены мелкозернистыми отложениями, что уменьшает пористость и затрудняет движение воды, характеризуя аквифер слабопроницаемым. Очень важно уметь определять такие характеристики аквифера, как проницаемость для прогнозирования поведения подземных вод в аквифере.
- ↑ В российской гидрогеологии термин «аквафер» не употребляется в официальной и отчётной документации.
сколько метров и их виды
Водоносный горизонт представляет собой грунт, в порах или трещинах между отдельными частицами которого находится и может передвигаться вода. Соответственно, при бурении скважины необходимо найти горизонт, который сможет обеспечивать необходимое количество воды надлежащего качества. Ограничивается этот водосодержащий слой водоупорными слоями (обычно глинистыми грунтами) только снизу (сверху тогда находится зона аэрации) или с обеих сторон. С практической точки зрения многими гидрогеологами такой горизонт определяется, как зона ниже уровня земли, дающая воду в объемах, имеющих экономическое значение. Ведь если добываемой из толщи грунта воды хватит максимум на полив пары растений, то какой смысл вообще принимать ее в расчет?
Содержание статьи:
Основные характеристики
Водоносный слой характеризуется целым рядом параметров, но рядовому человеку, эксплуатирующему скважину на участке, достаточно знать только некоторые из них.
- Дебит. Определяет, сколько жидкости источник может дать за единицу времени, измеряется в л/с, м3/ч и т.д.
- Годовая амплитуда колебания воды показывает изменение глубины расположения воды в разное время года в метрах.
- Глубина залегания подошвы и кровли горизонта измеряются в метрах, характеризуют границы водоносного слоя.
- Мощность водоносного горизонта – это попросту толщина содержащего воду грунта.
Типы водоносных слоев
Как правило, в толще земной поверхности в пределах досягаемости находится несколько содержащих воду грунтовых слоев. Рассмотрим их подробнее.
Верховодка
Первый водоносный горизонт характеризуется небольшой мощностью — в среднем около метра, реже 3-4 метра, располагается он на глубине от пары до 20-25 метров, причем в южных регионах оказывается обычно ближе к поверхности, в северных – дальше от нее.
Расположение первого верховодного слояДобраться до верховодки при бурении проще всего, это можно сделать примитивным садовым буром или лопатой. Другой вопрос, что вода из этого горизонта имеет ряд недостатков.
Дебет скважины очень сильно зависит от погодных условий и времени года, и регулярных больших объемов воды из верховодки получить не удастся. В северных регионах верховодка может и вовсе находиться в зоне промерзания грунтов, делая эксплуатацию источника в зимний период невозможной.
Пополняется первый водоносный горизонт за счет атмосферных осадков и таяния снега в весенний период, поэтому вода не отличается особой чистотой. В ней могут содержаться вредные органические или минеральные примеси, туда легко попадают удобрения, инсектициды, пестициды с участков (даже соседних). А уж если рядом проходят автомобильные дороги, располагаются предприятия или производится складирование отходов, то даже страшно представить, что может оказаться в этой воде.
Конечно использовать эту воду для питья возможно, но в обязательном порядке требуется провести лабораторные исследования ее состава, регулярно их повторять и при необходимости проводит фильтрацию и очистку.
В общем, хотя при бурении и обустройстве скважины для добычи воды из верховодки затраты минимальны, но на очистку воды до пригодного к питью состояния потребуется немало средств. Помимо этого, срок службы источника, заглубленного в первый водоносный горизонт, в среднем не превышает 3-5 лет, после чего придется сооружать новый.
Использование верховодки оправдано, если воду оттуда применять для технических нужд, либо в случае, когда колодец является временным решением, например, при проведении строительных работ и бурении более мощной и долговечной скважины.
Второй водоносный горизонт
Следующий после верховодки водоносный слой (или несколько слоев) – это межпластовые напорные и ненапорные воды. Располагаются они на уровне 40-90 метров в среднем, и от загрязнений с поверхности земли их защищают водоупорные слои глинистых почв.
Фильтрация и дополнительная очистка может потребоваться и такой воде, но в любом случае она существенно чище верховодки, и может быть использована для питья и приготовления пищи.
Дебет таких источников сохраняется примерно одинаковым на всем протяжении срока эксплуатации, но количества воды не всегда может быть достаточно, если ее расход большой, а водоносный слой маломощный.
Артезианские воды
Схема залегания вод в грунтеАртезианский водоносный горизонт располагается на глубине более 100 метров и позволяет стабильно получать большие объемы воды высочайшего качества. Эти водоносные слои никак не соединяются напрямую с поверхностью, а от возможных загрязнений с поверхности земли надежно защищены несколькими водоупорными слоями, самый нижний из которых обычно представляет собой скалистый грунт. Хотя бурение такой скважины обходится недешево, с течением времени это окупается. Во-первых, затраты на очистку воды минимальны, а во вторых, артезианские источники очень долговечны и способны обеспечивать бесперебойное водоснабжение минимум 40-50 лет. Однако артезианские воды относятся законодательством к полезным ископаемым, поэтому на устройство такой скважины и ее эксплуатацию потребуется разрешение.
Подводим итоги
Виды водоносных слоев и схема их глубина залеганияВодоносные слои разных типов характеризуются разным качеством воды и возможным дебитом скважины. Выбор оптимального для данного участка источника может быть осуществлен только при разведывательном бурении и определении точного места залегания вод на этой территории.
Советуем почитать: Артезианская вода что это такое?
Возможно вам также будет интересно почитать:
Пользуясь сайтом oBurenie.ru вы автоматически соглашаетесь с политикой конфиденциальности для использования любых доступных средств коммуникации таких как: комментарии, чат, форма обратной связи и т.д.Водоносный горизонт — это… Что такое Водоносный горизонт?
Водоносный горизонт или аквифер (англ. aquifer) — осадочная горная порода, представленная одним или несколькими переслаивающимися подземными слоями горных пород с различной степенью водопроницаемости. Из подземной прослойки водонапорной проницаемой горной породы или неконсолидированных материалов (гравий, песок, ил, глина) могут быть извлечены подземные воды с помощью скважины.
Слои частично состоят из рыхлых материалов: гравия, доломита, ила, известняка, мергеля или песка. Трещины или пустоты между слоями заполнены подземными водами. Горизонт ограничен либо двумя водоупорными пластами (обычно глиной), либо водоупорным пластом и зоной аэрации.
Основные характеристики
- Статический уровень или пьезометрический уровень в скважине, пробуренной на определенный водоносный горизонт. Измеряется в метрах от поверхности земли.
- Динамический уровень, появляющийся в том случае, когда из скважины проводится водоотбор, например, погружным насосом. Измеряется в метрах от поверхности земли.
- Забор воды из водоносного горизонта или дебит скважины измеряется в л/с, куб.м/час, куб.м/сут, тыс.куб.м/год.
- Коэффициент водопроводимости измеряется в кв.м/сут;
- Скорость сработки статического уровня измеряется в метрах в год, показывает скорость падения уровня воды при заданом заборе воды;
- Годовая амплитуда колебания уровня воды измеряется в метрах.
- Глубина залегания подошвы слоя водоносного горизонта. Измеряется в метрах от поверхности земли.
- Глубина залегания кровли слоя водоносного горизонта. Измеряется в метрах от поверхности земли.
Добыча воды
Для добычи воды из водоносных слоёв бурят скважины (буровые), которые являются составной частью водозаборных сооружений.
Поверхностные водоносные горизонты
Водоносные горизонты могут находиться на разной глубине. Те из них, что расположены ближе к поверхности, не только чаще других используются в качестве источников воды для потребления и ирригации, но и чаще пополняются дождями. Многие пустынные регионы имеют в своём составе известняковые холмы или горы, которые могут содержать грунтовые воды. Поверхностные водоносные горизонты, в которых добывается вода, имеются в отдельных частях гор Атлас в Северной Африке, на хребтах Ливан и Антиливан в Сирии, Израиле и Ливане, в части Сьерра-Невада и других горах на юго-западе США.
Чрезмерное использование может привести к снижению уровня грунтовых вод. Вдоль побережья некоторых стран, например Ливии и Израиля, рост населения и увеличившееся потребление воды привели к снижению уровня подземных вод и последующему их загрязнению солёной морской водой.
Типы аквиферов
Геологические материалы могут быть классифицированы как сцементирванные породы или неуплотнёные (свободные) отложения. Сцементированные породы могут быть образованы песчаником, сланцеватой глиной, гранитом и базальтом. Неуплотнённые породы содержат зернистые материалы как-то: песок, галечник, ил и глину. Четырьмя главными типами аквифера являются:
- аллювий (песок, галечник и ил, отложенные реками),
- пласт осадочных пород (уплотнённые отложения),
- ледниковые отложения (неуплотнённые отложения, созданные ледниками),
- вулканические метаморфические породы.
Движение подземных вод
Подземные воды в аллювиях находятся в поровом пространстве между частицами, а в уплотнённых породах — в трещинах. Количество воды, которое может вмещать аквифер зависит от его пористости, являющейся поровым пространством между зёрнами отложений или объёмом трещин в породе. Для движения воды в породе необходимо, чтобы поровые пространства были соединены между собой. Подземные воды движутся очень медленно внутри аквифера, и скорость движения зависит от размера пространств внутри грунта или породы, соединённости между собой этих пространств и градиента давления водной поверхности.
Проницаемость
Крупнозернистые отложения как песок и гравий обладают более высокой пористостью, чем мелкозернистые отложения как глина и ил, и лучшей соединённостью пор. Крупнозернистые материалы более проницаемы в виду того, что они обладают большими связанными пространствами или трещинами, позволяющими воде протекать.
В некоторых случаях поровые пространства могут быть заполнены мелкозернистыми отложениями, что уменьшает пористость и затрудняет движение воды, характеризуя аквифер слабопроницаемым. Очень важно уметь определять такие характеристики аквифера, как проницаемость для прогнозирования поведения подземных вод в аквифере.
См. также
Ссылки
Л_6 водоносные горизонты
Лекция 6 РИОПВ
ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О ПОДЗЕМНЫХ ВОДАХ
Как известно, основная масса воды на Земле сосредоточена в океанах. Второе место по объему занимает вода земной коры. Общее количество ее трудно точно определить. В настоящее время принято считать, что полный объем подземной гидросферы достигает 60 млн км3, но из них лишь около 4 млн км3 преимущественно пресных вод находится в верхнем километровом слое земной коры и активно участвует во влагообороте. Тем не менее, даже этот объем значительно превосходит запасы пресной воды в озерах (0.23 млн км3) и реках (0.001 млн км3).
Типы водоносных горизонтов
Водоносный горизонт — это слой грунта, который содержит в порах или трещинах значительное количество воды. Отметим, что вода может двигаться через водоносный горизонт, причем относительно быстро.
Водоупором называется слой, который практически не пропускает через себя воду. При этом водоупорный слой может как содержать в себе воду (например, глина), так и не содержать ее совсем (например, монолитный скальный грунт).
Полупроницаемым слоем называется такой, через который возможно медленное движение воды. Однако, если такие отложения залегают на больших горизонтальных площадях, они часто также пропускают через себя значительные количества воды и должны учитываться в гидрогеологических прогнозах. Типы водоносных горизонтов изображены на рис. 1.
Водоносный горизонт можно рассматривать как подземную емкость (резервуар). Вода попадает туда либо естественным путем — инфильтрующиеся атмосферные осадки, разгрузка из выше- или нижележащих горизонтов, рек, озер, либо искусственным, через нагнетательные скважины. Вода покидает такой резервуар также либо естественным путем — сток в реки, озера, другие слои, на поверхность (источники), либо искусственным, через откачивающие скважины (см.рис.1).
Напорный горизонт (пласт), часто называемый артезианским, ограничен сверху и снизу водонепроницаемыми отложениями. Если такой водоносный горизонт вскрывается буровой скважиной, вода в ней поднимается вверх и иногда может даже изливаться на земную поверхность- Уровень воды в скважинах, вскрывающих напорный водоносный горизонт, соответствует некой воображаемой поверхности, которая называется пьезометрической, или напорной.
Безнапорный пласт — это водоносный горизонт, в котором отсутствует верхний водоупор. Если буровая скважина вскрывает такой горизонт, вода в ней не поднимается.
Грунтовым горизонтом называют безнапорный или напорно-безнапорный пласт, который залегает на первом от поверхности водоупорном слое, распространенном на всей изучаемой площади. Такой водонепроницаемый пласт обычно называют региональным водоупором.
Выше грунтового горизонта находится зона аэрации — зона, где заполнены водой не все поры или трещины. Вода в ней удерживается капиллярными силами. Через зону аэрации происходит инфильтрация атмосферных осадков.
Особой разновидностью безнапорного водоносного горизонта является верховодка. Это вода, залегающая в зоне аэрации на ограниченных по площади (метры, десятки метров) непроницаемых или полупроницаемых отложениях.
Водно-физические свойства грунтов
Любой грунт состоит из твердых, обычно минеральных частиц и пустот. Если объем этих пустот в общем объеме грунта V обозначить V’, то величина, равная их отношению, будет характеризовать степень пустотности грунта
n = V’/ V <1.
Величина n называется общей пористостью. Она измеряется в долях единицы или в процентах. Очевидно, что чем больше пористость породы, тем больше в ней может поместиться воды, тем больше ее влагоемкость.
Однако для характеристики грунтов по отношению к воде важна не только величина общей пористости, но и размер самих пор. Так, в глинах, сложенных частицами размером меньше 5*10-6 м, общая пористость достигает 0.45 и более, однако воду они почти не пропускают. Водa удерживается на поверхности частиц молекулярными силами. Пески, чья пористость обычно не превышает 0.30 — 0.33, напротив, очень хорошо пропускают через себя воду.
Способность удерживать воду является важной водно-физической характеристикой грунтов; Если извлечь образец из водоносного горизонта, часть воды через какое-то время вытечет из него, а часть останется в порах. Будем считать, что объем исходного образца был единичным. Тогда первая называется гравитационной водоотдачей (S), вторая —максимальной молекулярной влагоемкостью (п’). Как и пористость, S и п’ измеряются в процентах или долях единицы. По величине гравитационной водоотдачи можно судить о том объеме пoрового пространства, через который, реально может двигаться вода (активная пористость)
S = п — п’.
Влагоемкость и водоотдача характеризуют емкостные свойства грунтов.
Другой и также очень важной водно-физической характеристикой грунта является его способность пропускать через себя воду. Она оценивается коэффициентом фильтрации k. Последний представляет собой коэффициент пропорциональности между расходом потока Q через образец грунта длиной L, площадью поперечного сечения F и разностью давлений ΔН на концах этого образца
Q=kFДH / L.
Размерность k соответствует размерности скорости. При единичном перепаде давления коэффициент k численно равен расходу воды. Коэффициент фильтрации зависит от свойств не только породы, но и жидкости. Hо так как физические свойства пресных вод практически не отличаются, этим обычно пренебрегают. Пресными называют воды, содержащие в 1 л не более одного грамма растворенных солей.
В подземной гидродинамике вместо системных единиц давления принято использовать напор в метрах.водного столба. Давление столба воды высотой 10 м приблизительно соответствует 1 атм или 1 кг на квадратный сантиметр, или 100 кПа.
Зависимость (1) называется законом Дарси, по имени французского гидродинамика, открывшего этот закон.
Реальные грунты редко бывают сложены чистыми песками или глинами. Как правило, в их строении принимают участие гравийные, песчаные, илистые и глинистые частицы, иногда галька и даже валуны. В зависимости от относительного содержания тех или иных частиц выделяют пески чистые, глинистые, различные категории суглинков (много глинистых частиц) и супесей (много песчаных частиц). Хорошо известно, что кроме того встречаются и скальные грунты, в которых вода содержится в основном в трещинах.
В табл.1 приведены характерные значения пористости п, коэффициента фильтрации k и гравитационной водоотдачи S некоторых типичных не сильно уплотненных грунтов. Разность n-S отвечает максимальной молекулярной влагоемкости. Таблица 1
Грунт______________ __ n k, м/сут S
Песчаник__________ 0.25 1,0 1.0
Глина____________ 0,45 <0.001 0.05
Суглинок____________ 0.40 0.01 0.10
Супесь_____________ 0.40 0.05 0.20
Песок мелкий глинистый 0.35 0.1 0.30
Песок среднезернистый 0.33 1.0 0,32
Песок крупнозернистый 0.30 5.0 0.29
Гравий______________ 0.25 10.0 0.24
Какова же реальная скорость движения подземных вод? Разделим обе части уравнения (1) на сечение потока. Тогда в левой части получится его скорость v
V = kH/L. (2)
Если вспомнить, что перепады уровней подземной воды в природе как правило не превышают нескольких метров на километр, становится очевидным, что скорость ее движения незначительна. Так, в песке
с k=1 м/сут (табл.1, песок среднезернистый) и перепадом уровней 1 м на 1 км скорость движения воды составит 1 мм/сут. Однако, поделив расход на всю площадь сечения, мы посчитали, что вода движется через весь объем породы. А на самом деле мы знаем, что вода движется через объем, равный активной пористости.
Правильно ли делить расход на всю площадь сечения? Если нас интересует лишь расход воды, неважно, через какое сечение он пришел к скважине — мы все равно получим нужный объем. А вот если нас интересует скорость распространения загрязнения, очевидно, необходимо определить истинную скорость движения воды. Так, в нашем примере, поделив скорость на гравитационную водоотдачу. определим, что истинная скорость V’ будет равна
V= v/S = 0,001 / 0,32 = 0,003125
или около трех миллиметров в сутки.
Скорость, определенную по зависимости (2), называют скоростью Дарси. чтобы отличить ее от истинной скорости.
Если изучается распространение загрязнений в подземной гидросфере, необходимо также оценить сорбционную емкость грунтов. Поверхность илистых и глинистых частиц обычно заряжена отрицательно, и за счет электростатического притяжения удерживает некоторое количество положительно заряженных ионов (катионов). Обычно это количество измеряется в миллиграмм-эквивалентах на сто граммов породы и называется сорбционной емкостью грунта.
Если в грунт, содержащий такие частицы, попадает загрязнитель, также представленный катионами, в некоторых случаях начинается процесс обмена катионов между сорбционной емкостью и раствором. Направление и интенсивность этого процесса зависят, с одной стороны, от конкретных ионов и их концентраций, а с другой стороны — от минерального состава глинистых частиц. Сорбционная емкость глин, например, меняется от 5 — 10 до нескольких сотен миллиграмм-эквивалентов на 100 г сухой породы в зависимости от их минерального состава, Песчаные частицы практически не сорбируют катионы.
Свойства водоносных горизонтов
Для решения задач управления водными ресурсами наиболее важными свойствами водоносного горизонта являются водопроводимость и емкость. Если изучается распространение загрязнений в подземной гидросфере, необходимо оценить сорбционную емкость пласта в целом, а также способность пласта к рассеиванию загрязнителя.
Водопроводимость зависит от коэффициента фильтрации и площади сечения пласта. Понятно, что для напорного пласта эта величина постоянна во времени, так как постоянна его мощность (расстояние от верхнего до нижнего водоупора). Единицей измерения проводимости как раз и служит произведение коэффициента фильтрации и мощности. Мощность безнапорного горизонта не является постоянной во времени, и это необходимо учитывать в расчетах.
Емкость пласта — это безразмерный коэффициент, определяющий изменение объема воды в нем вследствие изменения напора (уровня воды). Физический смысл этого коэффициента также различен для напорных и безнапорных водоносных горизонтов. Для напорного пласта этот коэффициент характеризует, главным образом, упругие свойства грунта. Для того, чтобы понять, почему это так, представим артезианский пласт, из которого ведется откачка воды. Вследствие этого водоотбора давление в пласте падает (снижается его пьезометрическая, или напорная, поверхность вблизи откачивающей скважины). Возможно ли в этом случае изменение объема воды в порах?
Известно, что сама вода практически несжимаема, и, значит, ее объем от давления не зависит. Некоторое изменение пористости возможно за счет того, что деформация грунта под влиянием давления была упругой и после уменьшения давления объем грунта увеличился в соответствии с законом Гука. В этом случае выделится некоторое дополнительное количество воды, которое называют упругой водоотдачей. Так как эта величина мала, в практических расчетах ею часто пренебрегают.
Емкость безнапорного пласта отвечает изменению объема воды в нем вследствие падения или подъема ее уровня и напрямую зависит от гравитационной водоотдачи. Представим, что откачка воды ведется из безнапорного горизонта. Понятно, что если уровень воды упал на:один метр, а гравитационная водоотдача составляет 20% от объема грунта, то содержание воды в элементе пласта объемом: 1 м3 уменьшилось на 0.2 м3, или на 200 л. Таким образом, емкость безнапорного пласта достаточно велика и пренебрегать ею в практических расчетах нельзя.
Так как значительная часть объема откачиваемой воды формируется за счет изменения емкости, влияние откачки распространяется не так широко, как при откачке из напорного пласта (конечно, при условии, что все остальные параметры горизонта примерно равны).
Сорбционную емкость пласта в целом можно оценить, зная его состав и строение. Так как скорости движения воды малы, обычно предполагается, что равновесие реакции сорбции наступает мгновенно. Для математического описания процесса сорбции использован коэффициент распределения = отношение концентраций вещества в жидкой и твердой фазах.
Несколько сложнее оценить способность пласта рассеивать загрязнитель. Эта способность связана, прежде всего, с неоднородностями реального грунта. Главными процессами, приводящими к рассеиванию загрязнителя, являются гидродисперсия и обмен в так называемой двойной среде.
Гидродисперсия возникает из-за неоднородностей поля скоростей двигающейся жидкости, которые, в свою очередь, обусловлены неоднородностью грунта (различные размеры частиц, слагающих грунт, слоистость и т.д.). На рис. 2 показано влияние гидродисперсии на перенос некоторого условного объема загрязненной воды. Так, рис. 2, а — перенос без рассеивания. Белой стрелкой показано направление движения воды. заштрихованным квадратом — загрязненная область в начальный и конечный моменты времени. Влияние гидродинамической дисперсии показано на рис. 2, б. Из рисунка понятно, что размер области рассеивания пропорционален пройденному расстоянию.
Другими словами, гидродисперсия — это макроскопическое проявление всей суммы перемещений отдельных микроскопических частиц загрязнителя.
При расчетах принято разделять продольную гидродисперсию (рассеивание в направлении движения воды) и поперечную (перпендикулярно движению воды). Поперечная гидродисперсия заметно меньше продольной, как правило, на порядок и более.
Двойная среда подразумевает наличие некоторого неподвижного или малоподвижного объема воды в рассматриваемом грунте. Это, например, может быть вода, удерживаемая молекулярными силами (в объеме, равном максимальной молекулярной влагоемкости), вода в прослоях грунта с низкой водопроводимостью (например, в линзах глин внутри слоя песка) и т.п. Между подвижным и малоподвижным объемами воды происходит обмен растворенным веществом (например, за счет диффузии), который также приводит к его рассеиванию в масштабах всего пласта.
Несмотря на то, что гидродисперсия и обмен в двойной среде с физической точки зрения являются разными процессами, при моделировании (математическом описании процесса распространения загрязнения), как правило используют какой-либо один из них.
ПОНЯТИЕ ОБ ОБЛАСТЯХ ПИТАНИЯ, ДВИЖЕНИЯ И РАЗГРУЗКИ ПОДЗЕМНЫХ ВОД
Питание подземных вод происходит в основном за счет атмосферной влаги и поверхностных вод. Различают внешнюю и внутреннюю области питания.
Внешняя область находится за пределами границ распространения изучаемого водоносного горизонта. Скапливающиеся там воды поверхностным или подземным путем поступают на рассматриваемую территорию и частично, а иногда полностью проникают в водоносный горизонт. Поглощение поверхностных вод происходит под руслом реки, если уровень подземных вод располагается глубже него, а подрусловые отложения являются водопроницаемыми.
Перетекание подземных вод из внешней области питания во внутреннюю может быть открытым (на участках выхода горизонтов на поверхность) и закрытым (на участках перекрытия контактирующих горизонтов водопроницаемыми или водоупорными породами). Сам характер перетекания может быть в плане очаговым (источник, тектоническая зона), линейным (по контуру контакта река—горизонт), площадным (на участке взаимодействия водоносных горизонтов между собой).
Внутренняя область питания водоносных горизонтов расположена в пределах их выхода на поверхность. Во внутренней области питания следует выделять области, зоны и очаги поглощения, где происходят непосредственная инфильтрация и инфлюация атмосферных и поверхностных вод. В большинстве районов отмечается площадной характер поглощения атмосферных вод, которое заметно усиливается на участках карстования пород и открытых тектонических нарушений. Поглощение поверхностных вод носит линейный характер и чаще всего связано с подъемом воды в реках, озерах, морях, ведущим к повышению уровня подземных вод и сопровождающимся образованием зоны подпора. Эта зона прослеживается от контура поглощения на расстояние нескольких сотен метров, иногда первых километров.
Область поглощения атмосферных вод занимает обычно наиболее высокое гипсометрическое положение и является областью создания напора инфильтрационного происхождения. От нее движение подземных вод направлено в область разгрузки, от повышенных участков рельефа к пониженным. Движение охватывает весь объем воды в водоносных отложениях до кровли регионального водоупора. Глубина ее залегания обычно не превышает 300—400 м, но в отдельных структурах возрастает до нескольких километров. Скорость движения с глубиной быстро падает. Особенно резко она уменьшается при появлении водоупорных слоев — глинистых, глинисто-карбонатных и других. В области питания распространены грунтовые воды. При их погружении под водоупорные слои образуются напорные артезианские воды. В тех случаях, когда уровень напорных вод устанавливается выше поверхности земли, скважины могут фонтанировать.
Питание водоносных горизонтов происходит не только за счет атмосферных и поверхностных вод, но и в результате перелива подземных вод из других горизонтов. Широко проявляется перелив грунтовых вод в артезианские (в областях питания), артезианских вод в грунтовые (в областях разгрузки), а также перелив из одного горизонта в другой на участках “гидрогеологических окон”.
Область разгрузки характеризуется выходами водоносных пород с минимальными гипсометрическими и пьезометрическими отметками. Разгрузка подземных вод может быть открытой в виде источников—выходов подземных вод на поверхность и скрытой — при стоке в реки, испарении с поверхности грунтовых вод, переливе в другой водоносный горизонт. В зависимости от геологических условий и характера вскрытия водоносного горизонта эрозионной сетью разгрузка может быть сосредоточенной и рассеянной. В верхней части гидрогеологического разреза, располагающейся выше первого от поверхности регионального водоупора, распределение давления в водоносных пластах контролируется преимущественно гравитационными факторами (различие отметок области питания и разгрузки).
9
Подземные воды и грунтовые воды, классы подземных вод. — Стройфора
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.
Где залегают грунтовые воды и каковы условия питания водоносных горизонтов?
Подземные воды залегают в водопроницаемых рыхлых (песок, гравий) и скальных (известняк, песчаник и др.) горных породах.
При характеристике условий залегания подземных вод применяют понятия и термины, приведенные ниже.
Водоносные породы — пласты, линзы и другие формы залегания водопроницаемых горных пород, в которых имеются поровая, трещиноватая и карстовая среды, содержащие подземную воду.
Водоносным горизонтом называют часть пласта или пласт, заполненные водой, приуроченные к одной или нескольким регионально выдержанным толщам водопроницаемых пород, гидродинамически связанным между собой и имеющим общую гидравлическую (при безнапорных водах) или пьезометрическую (при напорных водах) поверхность.
Водоносный комплекс — это комплекс водоносных горизонтов, одинаковых или различающихся по литологическому составу и пористости, приуроченных к породам какого-либо стратиграфического подразделения, среди которых вследствие изменчивости их вещественного состава, сложности тектонических условий или недостаточной изученности водовмещающих пород нельзя выделить отдельные гидравлически самостоятельные водоносные горизонты.
Площадь, в пределах которой распространен водоносный горизонт или комплекс, называется областью, или площадью распространения, а площадь, на которой происходит питание водоносного горизонта, — областью питания. Площадь, где подземные воды вытекают из водоносного горизонта или комплекса, называется областью разгрузки, или дренажа. Области питания и распространения водоносных горизонтов (комплексов) могут совпадать (в случае безнапорных) или не совпадать (в случае напорных вод).
В практике горного дела водоносные горизонты подразделяются в зависимости от их положения относительно пласта полезного ископаемого: если водоносные горизонты залегают над полезными ископаемыми, они называются надрудными (надугольными), если ниже — подрудными (подугольными).
Условия питания водоносных горизонтов зависят от многих факторов. Ведущую роль играет климат. Подземных вод больше там, где выпадает много атмосферных осадков. Большое значение имеют литологический состав пород, залегающих на поверхности, и рельеф (плоский, расчлененный, горный и т. п.).
Грунтовыми водами называют подземные воды первого от поверхности земли постоянно существующего водоносного горизонта, расположенного на первом водонепроницаемом слое. Грунтовые воды имеют свободную водную поверхность. Атмосферные осадки или поверхностные воды, просачиваясь в поры и пустоты горных пород, достигают на какой-то глубине водоупорного слоя и начинают скапливаться, образуя грунтовые воды. Расстояние от поверхности водоносного горизонта до водоупора называют его мощностью.
Рис. 1. Распределение подземной воды в верхней части земной коры.
Зоны: 1 — капиллярная; 2 — водонасыщенная (грунтовый поток)
Рис. 2. Схема грунтового бассейна:
1 — поверхность земли; 2 — уровень грунтовых вод; 3 — водоупор
Рис. 3. Распределение гидроизогипс (в м):
а — гидроизогипсы пересекают водоток без искривления; б — река питает грунтовые воды; в — грунтовые воды питают реку; г — река дренирует (на правом склоне) и питает (на левом) грунтовые воды. Пунктир — уровень подземных вод
Верхняя часть земной коры между земной поверхностью и поверхностью грунтовых вод называется зоной аэрации. В породах этой зоны в порах, трещинах и других пустотах находится парообразная, физически связанная и капиллярная вода (рис. 1).
Поверхность грунтовых вод часто называют уровнем, или зеркалом, грунтовых вод. Глубина залегания зеркала грунтовых вод может быть самой различной.
Грунтовые воды, у которых зеркало представляет собой горизонтальную поверхность, называют бассейном грунтовых вод. Такие бассейны чаще всего образуются при наличии в водоупорном ложе котловины (мульды) (рис. 2). Если же зеркало грунтовых вод наклонное, что свидетельствует об их движении в направлении уклона, то образуется поток грунтовых вод.
Питание грунтовых вод происходит в результате инфильтрации атмосферных осадков (дождь, тающий снег) и поверхностных вод (из рек, озер, прудов), подтока из других водоносных горизонтов (напорных трещинных, карстовых) и конденсации паров воды.
Питание грунтовых вод за счет поступления поверхностных вод происходит повсеместно. В период весенних половодий, а также при выпадении обильных осадков уровень поверхностных вод поднимается, превышая уровень грунтовых вод прибрежной территории. В результате значительная масса воды из поверхностного водоема просачивается в породы, слагающие его берега, питая грунтовые воды. В меженный период, когда уровень воды в водоеме ниже, чем уровень подземных вод, грунтовые воды питают водоемы.
Из сказанного следует, что между поверхностными и грунтовыми водами существует постоянная гидравлическая связь, причем существуют две формы этой связи — режимы подпертой и свободной фильтрации. О характере этой связи можно судить по карте гидроизогипс.
Гидроизогипсами называют линии, соединяющие точки с одинаковыми отметками уровней грунтовых вод. Их строят так же, как изогипсы рельефа земной поверхности.
Если гидравлической связи между поверхностными и грунтовыми водами нет, то гидроизогипсы пересекают поверхностный водоем без искривлений (рис. 3, а), а если грунтовые воды питаются за счет инфильтрации поверхностных вод, то гидроизогипсы изгибаются вниз по течению рек (см. рис. 3, 6), так как зеркало грунтовых вод в этом случае имеет наклон от реки. Если грунтовые воды питают поверхностный водоток, то гидроизогипсы будут изогнуты вверх по течению реки (см. рис. 3, в), так как зеркало грунтовых вод в этом случае наклонено к реке.
Возможна и такая связь между грунтовыми и поверхностными водами, когда на одном склоне долины грунтовые воды питают реку, а на другом река питает грунтовые воды. В этом случае гидроизогипсы на одном берегу будут изогнуты вверх, а на другом — вниз по течению реки (см. рис. 3, г).
При гидрогеологических исследованиях определение характера питания исследуемого водоносного горизонта является весьма важной задачей (особенно при осушении месторождений полезных ископаемых), так как выбор наиболее рациональных способов осушения в значительной степени определяется условиями питания водоносных горизонтов, подлежащих осушению.
Межпластовые подземные воды приурочены к водоносному горизонту, подстилаемому и перекрываемому водоупорными породами. Водонепроницаемые породы, подстилающие водоносный горизонт, называются водоупорным ложем, а перекрывающие его — водоупорной кровлей.
Рис. 4. Схема артезианского бассейна:
1 — водоносный пласт; 2 — водоупорные породы; 3 — уровень воды. А — пределы распространения грунтовых вод; Б — область распространения грунтовых вод; а — область питания напорных вод; б — область напора; в — область разгрузки; Н1 — напорный уровень выше поверхности земли; Н2 — то же, ниже поверхности земли; т — мощность напорного водоносного горизонта; N-N‘ — пьезометрическая поверхность
Рис. 5. Схема залегания подземных вод:
1 — водоупорные породы; 2 — грунтовые воды; 3 — межпластовый безнапорный водоносный горизонт; 4 — артезианский напорный водоносный горизонт. I — колодец, питающийся грунтовой водой; II — колодец, питающийся межпластовой водой, III — артезианская скважина
Рис. 6. Схема выходов источников:
а — симметричное расположение источников в долине реки; б — источник, перекрытый делювием; в — переливающийся источник (и — выход подземных вод на поверхность)
Межпластовые воды могут быть безнапорными и напорными. Первые встречаются сравнительно редко. Надугольный водоносный горизонт на буроугольных месторождениях Днепровского бассейна является типичным примером межпластовых безнапорных подземных вод. Такие воды характерны для месторождений Канско-Ачинского буроугольного, Черемховского и некоторых других бассейнов.
Межпластовые воды бывают напорными, когда все поры и пустоты водоносного пласта заполнены, и вода в водоносном горизонте находится под гидростатическим давлением. Напорные подземные воды, приуроченные к водоносным горизонтам, залегающим обычно на значительной глубине в пределах крупных тектонических структур мульдообразного или моноклинального строения (рис. 4), называются артезианскими.
При вскрытии скважиной водоносного пласта с напорной водой уровень воды в ней поднимается выше водоупорной кровли водоносного горизонта. Линия N-N’, определяющая положение напорного уровня в водоносном пласте, называется пьезометрическим уровнем артезианского пласта. Линии, соединяющие на карте точки с одинаковыми отметками пьезометрического уровня, называются пьезоизогипсами, а сама карта — картой пьезоизогипс. Высота подъема воды выше водоупорной кровли называется напором.
Обычно в толще осадочных пород имеется несколько водоносных пластов с напорными водами.
При характеристике артезианских водоносных горизонтов, помимо глубины залегания водоносного слоя, необходимо также знать напор воды в каждом пункте распространения водоносного горизонта, поэтому для артезианских вод на карте в изолиниях показывают отметки кровли водоносного горизонта. Такая карта называется картой изогипс водоупорной кровли. Для решения практических задач карты поверхности земли в горизонталях, пьезоизогипс и изогипс водоупорной кровли водоносного горизонта совмещают. Пользуясь совмещенной картой, можно легко и быстро определить глубину залегания артезианского горизонта в каждом пункте, величину напора и направление движения артезианских вод, а также установить, будет ли в данном месте скважина фонтанировать или уровень воды остановится на какой-то глубине ниже поверхности земли. Эта глубина может быть определена точно.
Геологические структуры, содержащие один, два или несколько напорных водоносных горизонтов и распространенные на значительной площади, называют артезианскими бассейнами. Такие бассейны выделяют на основании тектонических, стратиграфических и литологических признаков. Площадь артезианских бассейнов колеблется от нескольких десятков до сотен тысяч и миллионов квадратных километров.
На рис. 5 показана общая схема залегания подземных вод.
На участках выклинивания водонепроницаемого слоя между смежными водоносными горизонтами осуществляется их взаимосвязь и за счет перетока воды из горизонта с более высоким пьезометрическим уровнем происходит дополнительное питание смежного.
Источники — это естественные выходы подземных вод на поверхность земли. Они делятся на нисходящие и восходящие.
Нисходящие источники образуются при выходе грунтовых или безнапорных межпластовых вод (рис. 6) на склонах речных долин, балок, оврагов, а также в карьерах. В местах выхода на поверхность грунтовых вод наблюдаются заболоченность или сосредоточенные струи воды, образующие ручейки.
При горизонтальном залегании водоупорного ложа источники образуются по обеим сторонам долины (см. рис. 6, а) на одной и той же высоте, а если водоупорное ложе залегает наклонно, то источники выходят на одной стороне долины. В том случае, когда склоны долины, вскрывающие водоносный горизонт, покрыты наносами, последние маскируют истинный выход грунтовых вод на поверхность и источники появляются в другом месте (см. рис. 6, б).
Помимо постоянно действующих нередко встречаются источники периодически действующие, которые образуются в тех случаях, когда на поверхности водоупорного ложа имеются понижения (см. рис. 6, в). При повышении уровня грунтовых вод они начинают переливаться через край впадины, образуя действующий источник, а при понижении — иссякают.
Дебит нисходящих источников зависит от ряда факторов и изменяется от долей до нескольких десятков кубических метров в секунду.
Восходящие источники образуются в местах выхода на земную поверхность напорных вод. Отличительная особенность их — характер выхода струи воды, которая, поднимаясь под напором снизу, как бы бурлит, бьет ключом. Когда восходящий источник пробивается через песок, на дне водоема образуются небольшие углубления — кратеры, из которых вырываются хорошо различимые струи воды.
Восходящие источники могут возникать под действием гидростатического давления, давления газа (нарзаны) или водяного пара (гейзеры). Вода восходящих источников часто имеет лечебные свойства (нарзан в Кисловодске, радоновые воды в Цхалтубо, источник Дарасун в Забайкалье и др.).
Режимом подземных вод называют изменение во времени их уровня, температуры, химического состава и расхода под влиянием естественных и искусственных факторов. Режим подземных вод определяется геологической обстановкой и климатическими условиями, а также хозяйственной деятельностью человека (осушение, орошение, строительство подпорных гидротехнических сооружений, водоотлив из горных выработок и т. п.).
Динамический режим грунтовых вод существенно отличается от режима артезианских вод. Режим грунтовых вод всецело определяется метеорологическими факторами: атмосферными осадками, температурой воздуха, давлением, испарением. Неравномерность инфильтрации атмосферных осадков является основной причиной изменений режима грунтовых вод, наблюдающихся не только в течение года, но и в многолетний период.
Колебания уровней в трещиноватых и закарстованных породах имеют свою специфику. Максимальной высоты уровни подземных вод достигают весной в период снеготаяния. Значительное повышение уровней наблюдается также во время летних и осенних дождей, в том числе ливневого характера. Амплитуда годовых колебаний уровня может достигать 10 м и более.
Динамический режим артезианских вод в естественных условиях характеризуется большим постоянством, чем режим безнапорных вод. Значительное влияние на режим напорных вод оказывает деятельность человека: из недр земли ежегодно извлекаются огромные массы подземных вод для питьевого, хозяйственного и технического водоснабжения, лечебных целей, ирригации, добычи химического сырья, а также при искусственном водопонижении в связи с проведением строительных, горных и других работ. Во многих крупных городах мира с помощью скважин в течение десятков лет эксплуатируются артезианские воды, в результате чего их уровни значительно снизились. Понижение уровней наблюдается на площади, измеряемой сотнями квадратных километров. На отдельных месторождениях полезных ископаемых глубина обезвоживания достигает 1 км и более. Снижение уровней влечет за собой изменение физических свойств, химического, газового и бактериального состава подземных вод, исчезновение источников, обезвоживание рек и озер, изменение состояния и свойств пород и многие другие процессы.
При создании водохранилищ уровень воды в них значительно превышает уровни, бывшие в реках. Это обусловливает и соответствующие изменения на прилежащих территориях уровней подземных вод, что, в свою очередь, приводит к изменению их количества, условий движения, физических и особенно химических свойств.
Проведение горных работ при добыче полезных ископаемых сопровождается откачками из шахт огромных масс воды. Так, из шахт Донецкого бассейна, которые не отличаются особой водо-обильностью, в 1986 г. откачивалось в среднем 8 м³/с. Естественно, что откачки из горных выработок существенно влияют на режим подземных вод. В том же Донбассе наблюдаются многочисленные случаи «пересыхания» колодцев, находящихся нередко на расстоянии многих километров от границ шахтных полей. Такие явления отмечаются всюду, где ведутся горные работы.
При добыче полезных ископаемых нарушение общих гидрогеологических условий существенно сказывается и на минерализации рудничных (шахтных) вод. Как правило, кислотность и агрессивность рудничных вод на рудниках (медных, колчеданных и др.) с течением времени возрастают, что отрицательно влияет на состояние насосов, труб, рельсов и другого оборудования.
Классификация подземных вод. Подземные воды залегают в земной коре в самых разнообразных геологических условиях. Направление изучения подземных вод зависит от характера их использования, поэтому в основу классификации могут быть положены различные признаки: способ образования, условия залегания, гидравлические свойства, возраст и литологический состав водоносных пород, степень минерализации, состав растворенных солей и газов и др.
По условиям залегания, циркуляции и характеру вмещающих горных пород выделяют следующие типы подземных вод:
- поровые, залегающие и циркулирующие в порах рыхлых четвертичных отложений, слагающих самую верхнюю часть земной коры;
- пластовые, залегающие и циркулирующие в порах и трещинах осадочных горных пород, перекрываемых и подстилаемых водоупорными породами; эти воды подразделяются на порово-пластовые и трещинно-пластовые;
- трещинные, залегающие и циркулирующие в скальных (осадочных, магматических и метаморфических) породах, пронизанных равномерной трещиноватостью;
- карстовые, циркулирующие в массивах карбонатных, гипсоносных и соленосных раскарстованных пород;
- трещинно-жильные, циркулирующие в отдельных открытых тектонических трещинах и зонах тектонических нарушений.
От типа подземных вод зависят величина и режим притоков воды в горные выработки, особенно при прорывах.
Может быть интересноВыбор водоносного горизонта — sprosigeologa.ru
Грамотный выбор водоносного горизонта — основа Вашей уверенности в том, что вода не кончится. Для начала коротко о терминологии. Верховодка — спорадически распространенный водоносный горизонт. Грунтовые воды — первый от поверхности водоносный горизонт, выдержанный по простиранию, имеющий свободную поверхность. Напорные воды — подземные воды, залегающие между водоупорными грунтами и обладающие избыточным напором. К ним, кстати, относятся артезианские.
Итак, верховодка не годится, т.к. может закончится очень быстро или пропасть вообще. Остаются грунтовые или напорные воды. С грунтовыми водами связываться не всегда можно по ряду причин:
1. Незащищенность. Вся грязь с поверхности попадает туда за считанные часы, редко сутки.
2. Воды богаты кислородам, поэтому почти всегда в них живут микроорганизмы, далеко не всегда безвредные.
3. В межень (особенно в засуху) уровень может сильно падать, воды может не хватить.
Бывают, конечно, исключения (если Ваш участок далеко от города, нет выгребных ям и удобряемых полей), тогда грунтовые воды Вам подойдут.
Итак, остаются напорные воды. Не стоит гнаться за водой в известняках. Это продуктивные водоносные горизонты (стратегические запасы подземных вод), для их использования необходима лицензия на недропользование. Ее стоимость сопоставима со стоимостью скважины под ключ. Многие ее не оформляют, но рано или поздно за этот вопрос возьмутся всерьез, лучше не рисковать. К тому же вода в известняках очень жесткая и богата железом — от 3 ПДК и выше (ПДК — предельно допустимая концентрация). Кроме того, известняки часто залегают глубоко, поэтому глубина скважины может превысить 100 м. Отсюда возникает необходимость в использовании мощного центробежного насоса, которые не дешевы. Обычный «Малыш» на глубинах от 40 м бессилен. Остаются напорные воды, залегающие в песках (чаще всего) или иных породах, способных хорошо фильтровать воду. В данном случае фильтровать — это не очищать, а пропускать через себя.