Лекция ПОДЗЕМНЫЕ ВОДЫ Подземные воды Вода

Лекция ПОДЗЕМНЫЕ ВОДЫ

Подземные воды • Вода в недрах земли находится в жидком, твердом и газообразном состоянии. • Основные источники питания подземных вод: • 1) атмосферные осадки; • 2) сорбция • 3) конденсация и сублимация водяного пара

Водно-физические свойства пород и грунтов • • • Пористость (скважность); Влагоемкость; Влажность; Водоотдача; Водопроницаемость; Водоупорность.

Пористость • Под пористостью понимают наличие в породах малых пустот; • Скважность - наличие более крупных некаапиллярных промежутков. • Часто совокупность всех пустот объединяют в понятие общей пористости.

Величина пористости • Определяется отношением объема пор Vпор к объему породы в сухом состоянии V. • Выражается в процентах или долях:

Факторы пористости • Размеры и форма частиц грунта; • Степень сортированности частиц; • Характер расположения частиц.

Значения пористости • Наибольшая пористость у мелкозернистых пород с одинаковой величиной слагающих их частиц. • Наименьшая пористость у пород, состоящих из зерен разной величины; в этом случае мелкие частицы заполняют поры между крупными и свободного пространства остается очень мало. • Пористость глин 40— 50 %, лёссов 40— 55 %, песков 30— 40 %, песчаников 4— 25 %, известняков 0, 6— 16 %. • Средняя пористость осадочных пород на поверхности Земли 35 -45%.

Естественная влажность • Это содержани воды в почвах и породах в весовых или объемных единицах на какой-либо момент времени. • P 1 и P 2 – вес образца до и после высушивания.

Водоотдача • Способность породы, насыщенной водой, отдавать путем свободного стекания то или иное количество воды. • Характеризуется коэффициентом водоотдачи, т. е. отношением объема стекающей из насыщенной породы водой к объему всей породы.

Водопроницаемость • Способность породы пропускать через себя воду. • Водоприницаемость и водоотдача зависят от пористости, от размера и формы породы. • Порода разделяют по водопроницаемости на: • водопроницаемые и водонепроницаемые (водоупорные).

Водопроницаемые породы • К ним относят грубозернистые или грубообломочные породы (галечник, гравий, песок) и • Массивные трещиноватые породы (мрамор, гранит, известняк)

Водоупорные породы • Практически не пропускают через себя воду. • Это плотные массивные монолитные породы (мрамор, гранит, базальт) или осадочные мелкозернистые породы (глины, глинистые сланцы). • Полупроницаемые породы (глинистые пески, лёсс, торф, песчаники, пористые известняки, мергели и др. ). Их большинство.

Виды воды в порах • В породах различают сл. виды воды: • Химически связанная; • Водяной пар; • Сорбционно-связанная (1 -4); • Капиллярная; • Гравитационная или свободная (5).

Химически связанная вода • Входит в молекулу воды вещества гидроксильной группой. • Например, Fe 2 O 3 + 3 H 2 O = 2 Fe(OH)3. • Удаляется при прокаливании и последующем распаде минерала.

Парообразная вода • Находится в порах и пустотах. • Перемещается под влиянием упругости пара из областей с большей упругостью в области с меньшей упругостью.

Сорбционно-связанная вода • Гигроскопическая вода – адсорбированная частицами породы из воздуха. Она прочно связана с частицей за счет молекулярных сил. Диполи воды строго ориентированны к частице. • Пленочная вода – обволакивает частицы сверх максимальной гигроскопичности. • Удаляется вода только сильным нагреванием (>105 ºC).

Капиллярная вода • Вода удерживается и передвигается по порам почвогрунтов под влиянием капиллярных (менисковых) сил из зоны большего увлажнения в зону меньшего увлажнения. • Различают капиллярно-подвешенную и капиллярно-подпертую воду. • Первая связана с увлажнением сверху (атм. осадками), вторая – с уровнем грунтовых вод.

Гравитационная или свободная вода • Заполняет капиллярные пустоты. Движется вниз под действием гравитационных сил. Гравитационная вода создает гидростатический напор, под действием которого воды могут подниматься вверх, как в сообщающихся сосудах.

Условия накопления подземных вод • Залегание грунтовых вод определяется геологическим строением местности: структурой и литологией горных пород. • Чередование водопроницаемых и водоупорных пород определяют условия для накопления свободных вод в толще водопроницаемых пород, залегающих на водоупорах.

Основные понятия залегания • Пласты горных пород с заключенными в них подземными водами называются водоносными горизонтами, а поверхность грунтовых вод — их зеркалом. • Мощность водоносного горизонта— расстояние по вертикали от водоупорного ложа до зеркала грунтовых вод.

Типы пластовых вод • Различают: • Грунтовые воды — воды первого от поверхности постоянного водоносного горизонта, не прикрытые водоупорным пластом. • Межпластовые воды заключены в слое между двумя водоупорными пластами. • Они делятся на: а) ненапорные межпластовые воды; б) напорные межпластовые.

Верховодка • Верховодка — временное скопление подземной воды над местным водоупором (морена, илювиальный горизонт в почве, соленые воды), имеющее ограниченное распространение. • Уровень верховодки резко колеблется, в сухое время года она в результате высокого испарения может исчезать. • Неглубокое залегание, плохая фильтрация часто объясняют сильное загрязнение верховодки, поэтому ее использование в бытовых целях не допускается.

Верховодка • Линза морены с верховодкой: • 1 — песок, • 2 — песок водоносный, • 3 — моренный суглинок с валунами, • 4 — глина

Грунтовые воды • Грунтовые воды распространены почти повсеместно и существуют длительное время. • Область питания грунтовых вод совпадает с их распространением. • Наибольшую роль в питании играют длительные обложные дожди и талые весенние воды. Так как вода просачивается медленно, уровень грунтовых вод повышается не сразу, а через значительный промежуток времени после выпадения осадков или таяния снега.

Схема залегания грунтовых вод а – грунтовый поток, б – грунтовый бассейн

Межпластовые воды • Безнапорные межпластовые воды имеют место, когда водоносныя порода неполностью насыщена водой. • Межпластовые воды полностью занимащие водоносный слой и обладающие гидростатическим напором называют напорными или артезианскими.

Артезианские воды • При вскрытии скважиной напорного горизонта, вода под гидростатическим давлением поднимается выше кровли, иногда даже фонтанирует. • Кроме уровня кровли горизонта напорных вод выделяют гидростатический (пьезометрический) уровень, совпадающий с уровнем подъема воды в скважинах.

Артезианский бассейн

Трещинные воды • Трещинные воды в зависимости от характера трещин могут быть ненапорными и напорными. • В растворимых породах возникают трещины и пустоты, поглощающие атмосферные осадки, а иногда и поверхностные водотоки. В толще таких пород (известняк, гипс, соль) выделяют зоны нисходящего и горизонтального движения воды. • Уровень подземных вод очень быстро и сильно изменяется. Такие воды легко загрязняются с поверхности.

Движение подземных вод • Различают вертикальное движение воды в почвогрунты и передвижение в водоносных слоях со свободной поверхностью.

Просачивание в грунты • Основной процесс проникновения воды в почвогрунт — медленное ламинарное ее движение по порам под действием капиллярных и гравитационных сил — инфильтрация (при преобладании гравитационных сил — фильтрация). • Реже вода проникает вниз посредством турбулентного движения по трещинам и пустотам — инфлюация.

Передвижение воды в водоносных слоях • Движению воды в мелкозернистых породах характерно ламинарное (упорядоченное). • В крупных трещинах, пустотах наблюдается турбулентное (хаотичное) движение. • Во всех случаях движение происходит от мест с более высоким уровнем к местам с низким уровнем. • Движение воды в водоносном слое может быть вызвано естестественным дренажом речной сети, откачкой воды в колодце или скважине.

Скорость движения • Движение воды в случае фильтрации подчиняется закону Дарси, выражаемому формулой • V = k*i, • где V – скорость движения, k – коэффициент фильтрации, i – уклон зеркала грунтовых вод.

Уклон потока • Падение слоя h определяется как • h =H 1 – H 2 • Уклон определяется как отношение падения к длине участка • i=h/l

Реальные скорости • Скорость перемещения грунтовых вод в крупнозернистых песках 1, 5— 2, 0 м / сут, • в мелкозернистых песках и супесях 0, 5 — 1, 0 м/сут, • в суглинках и лёссах 0, 1— 0, 3 м/сут.

Источники • Естественные выходы подземных вод на поверхность — источники (родники) — весьма разнообразны • По характеру выхода и условиям питания источники разделяют на нисходящие и восходящие. • Нисходящие представляют свободный сток воды из водоносных горизонтов со свободной поверхностью. • К восходщим относятся выходы напорных вод.

Гейзеры • Источники , выбрасывающие воду под действием давления паров воды, имеющих на некоторой глубине температуру выше 100 ºС, называют гейзеры. • Гейзеры действуют периодически. • Известны гейзеры в Исландии, США (Йеллоустонский парк), Новой Зеландии, России (долина гейзеров на Камчатке).

Схема развития гейзера

Схема гейзера

Фото гейзеров

Большой гейзер

Источники в карстовых областях • В этих областях распространены так называемые переливные и сифонные источники с большими расходами воды.

Дебиты источников • Дебит – это количество воды истекающей из источника в единицу времени. • Их дебит различается от долей литра до нескольких кубических метров в секунду. Наибольшее количество воды дают источники, связанные с трещиноватыми и закарстованными породами (карстовый источник Воклюз дает до 120 м 3/сек).

Воклюзы Голубой каньон (Кавказ) Красный ключ (Башкирия)

Химические свойства • Все природные воды делятся по преобладающему аниону на три класса: • гидрокарбонатные и карбонатные; • сульфатные; • хлоридные. • В каждом классе по преобладающему катиону выделяются три группы: • кальциевая; • магниевая; • натриевая.

Химические свойства • • • Минерализацию определяют по количеству солей в единице объема воды. Измеряют в г/литр или промиллях ‰. Воды по степени минерализации делят на: пресные от 0, 01 до 0, 3 г/л или 0, 01 до 0, 3 ‰; солоноватые от 0, 3 до 24, 7 ‰; соленые от 24, 7 до 49, 0 ‰; рассолы свыше 49, 0 ‰.

Распределение грунтовых вод по химсоставу и минерализации • Режим и минерализации грунтовых вод связан с климатом и носит зональные черты и подчиняется географической зональности: • 1) в зонах избыточного увлажнения — тундра, влажные тропические леса (коэффициент увлажнения 1, 5) — грунтовые воды ультрапресные и очень близко расположены к поверхности; • 2) во влажных зонах — лесная зона умеренных широт и граница влажных тропических лесов с саваннами (коэффициент увлажнения 1, 5— 1) — грунтовые воды пресные, высокостоящие; • 3) в зонах умеренного увлажнения (коэффициент увлажнения 1— 0, 3) — лесостепи, саванны — грунтовые воды слабоминерализованные, глубоко залегающие; • 4) в засушливых зонах (коэффициент увлажнения меньше 0, 3) — полупустыни — грунтовые воды минерализованные и глубоко залегающие. Характерны ископаемые линзы пресной воды, слабо участвующие в современном влагообороте застойные воды.

Химический состав артезианских вод • Верхние водоносные пласты (на глубине 100— 600 м) пресные (до 1 г/л) или слабоминерализованные, гидрокарбонатные; на них сказывается опресняющее влияние атмосферных, поверхностных и грунтовых вод. • Глубоко залегающие воды представляют собой рассолы (свыше 50 г/л). Происхождение солей связано с происхождением этих вод (в основном седиментационных). • В промежуточных горизонтах артезианских вод происходит смешение слабо- и высокоминерализованных вод, сопровождающееся изменением минерализации. • Большой интерес представляют минеральные воды, обладающие лечебными свойствами: углекислые, сероводородные, радоновые, железистые и др. • Так как артезианские воды изолированы от загрязнения с поверхности, они хорошего качества.

Тепловые характеристики • По температуре выделяют воды холодные и термальные. • Холодные воды могут быть переохлажденными (температура ниже 0°), холодными (от 0° до — 10°), очень холодными (от — 10° до — 20°). • Термальные — теплыми (от +20° до + 35°), горячими (от +35° до +50°), перегретыми (выше + 100°).

• Термальные воды почти всегда более минерализованны и насыщенны газами чем холодные. • Температура и степень минерализации вод по мере удаления вниз от поверхности увеличиваются. При этом происходит смена химических типов вод — от обычных пресных, гидрокарбонатных через сульфатные и смешанные к хлоридным, вплоть до концентрированных рассолов (которые с глубиной также изменяются от натриевых в кальциевые и магниевые). • Термальные рассолы — источник формирования рудных жил, они участвуют в формировании горючих ископаемых.

Режим грунтовых вод • Изменение во времени уровня ГВ, их температуры, химического состава и минерализации называется режимом грунтовых вод. • В режиме ГВ выделяют годовые, сезонные колебания.

Сезонные колебания • Сезонные колебания грунтовых вод обуславливаются аспределением осадков и испарения в течении года, а также подпором от поднятия уровня воды в реках, озерах. • Они характеризуются периодичностью и наибольшим значением амплитуды.

Годовые колебания • Они связаны с неодинаковым характером выпадения осадков и испарения за отдельные годы. • Не имеют закономерного характера как сезонные. • Чередование многоводных и маловодных рек не подчинено какойлибо строгой закономерности

Эпизодические колебания • Вызываются выпадением обильных летних или осенних осадков иоттепелями в зимний период.

Значение подземных вод • Значение подземных вод в природе велико и разносторонне. • Они пополняют реки и озера, являясь самой устойчивой частью стока; благодаря их перемещению происходит перенос растворенных веществ — водная миграция элементов, посредством подземных вод растения получают влагу и питательные соли. • Подземные воды принимают участие в формировании рельефа: оползни, суффозия, карст; вызывают при известных условиях заболачивание. • Это неоценимый по своей важности природный ресурс. Пресные подземные воды — самая ценная часть всего мирового запаса пресных вод. Ими снабжается население Земли. 80% населения России пользуется пресными подземными водами. • Из термальных вод уже извлекают ежегодно многие тонны химического сырья, глауберовой соли, борной кислоты, буры, хлористого и сернокислого натрия и т. д. • Они имеют бальнеологическое значение.