Подземные воды

фгбоу впо "НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ"

ПОДЗЕМНЫЕ ВОДЫ

 

 

Новосибирск,2013 г.

Выполнила: студентка 1 курса 182 гр.

Медведева Карина

Проверила: Порошина И.А

 

Оглавление

 

 

Образование и типы подземных вод.

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

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

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

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

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

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

Гравитационная вода, заполняющая поры коллектора, может находиться под давлением, и тогда говорят о напорных водах, или напорных водоносных горизонтах. Если давление отсутствует, то водоносные горизонты называются не напорными. В этом случае вода может двигаться только под действием собственной тяжести. Вода, находящаяся под давлением, способна подниматься на высоту, уравновешивающую это давление (эффект сообщающихся сосудов). Абсолютная высота подъема напорной воды называется пьезометрическим уровнем. Как правило, величина давления в водоносном горизонте обусловлена относительно высоким положением области питания горизонта. Если вскрыть такой горизонт с помощью бурения, то вода в буровой скважине поднимется до уровня, на котором расположена область питания. Такие воды получили название артезианских (по названию провинции Артуа на северо-западе Франции, где такая скважина была впервые пробурена).

Тектонический прогиб, в геологической структуре которого находится один или обычно несколько напорных водоносных горизонтов, называется артезианским бассейном. Примером может служить Подмосковный артезианский бассейн, в кавернозных известняках каменноугольного возраста которого имеются три напорных водоносных горизонта пресной воды высокого качества, разделенных водоупорными глинами.

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

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

Подземные воды, приуроченные к системе водоносных горизонтов, разделенных слоями водоупорных пород, называются межпластовыми, или просто пластовыми. Как отмечалось ранее, они могут быть напорными и безнапорными. В горных странах существуют трещинные воды, приуроченные к трещиноватым участкам кристаллических массивов, а также ювенильные воды, связанные с поствулканическими процессами. Источники этих вод, обогащенных разнообразными минеральными соединениями и часто обладающих повышенной радиоактивностью, как, например, источники района Минеральных Вод на Северном Кавказе, используются в лечебно-бельнеологических целях.

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

На материках они образуют сплошную оболочку, которая не прерывается даже в областях сухих степей и пустынь. Как и поверхностные воды, они находятся в постоянном движении и участвуют в общем круговороте воды в природе. Строительство и эксплуатация большинства наземных сооружений и всех подземных связаны с необходимостью учета движения подземных вод, их состава и состояния. От подземных вод зависят физикомеханические свойства и состояние многих горных пород. Они часто затопляют строительные котлованы, канавы, траншеи и тоннели, а, выходя на поверхность, способствуют заболачиванию территории. Подземные воды могут являться агрессивной средой по отношению к горным породам. Они выступают основной причиной многих физикогеологических процессов, возникающих в естественных условиях, в процессе строительства и эксплуатации инженерных сооружений.

Различают:

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

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

Подземные воды так же подразделяют:

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

Подземная вода может образовываться также путем конденсации парообразной воды, постоянно циркулирующей в порах горных пород. Конденсационная подземная вода образуется только летом и частично весной и осенью, а зимой не образуется совсем. Конденсацией водяных паров А. Ф. Лебедев объяснял образование значительных запасов подземной воды в зонах пустынь и полупустынь, где количество выпадающих атмосферных осадков ничтожно. Конденсироваться могут не только водяные пары атмосферы, но и водяные пары, выделяющиеся из магматических очагов и других высокотемпературных зон земной коры. Такие подземные воды называются ювенильными. Ювенильные подземные воды обычно сильно минерализованы. В ходе геологического развития в толще земной коры могут сохраняться погребенные водные бассейны. Вода, содержащаяся в осадочных толщах этих бассейнов, называется реликтовой.

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

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

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

Верховодка образуется в зоне аэрации на водонепроницаемых линзах. Верховодкой также называют любые временные скопления воды в зоне аэрации. Атмосферные осадки, проникающие в эту зону, могут временно задерживаться на слабопроницаемых или уплотненных слоях. Чаще всего это происходит весной в период  снеготаяния   или  в   период обильных дождей. В засушливые периоды верховодка может исчезать. Характерными особенностями верховодки является непостоянство существования, ограниченность распространения, малая мощность. Верховодка нередко создает затруднения для строителей, так как наличие или возможность ее образования не всегда устанавливается при инженерно геологических изысканиях. Образовавшаяся верховодка может вызывать подтопление инженерных сооружений, заболачивание территорий.

Грунтовой называется вода, залегающая на первом от поверхности земли постоянном водоупорном слое. Грунтовые воды существуют постоянно. Они имеют свободную водную поверхность, называемую зеркалом грунтовых вод, и водоупорное ложе. Проекция зеркала грунтовых вод на вертикальную плоскость называется уровнем грунтовых вод (У Г В). Расстояние от водоупора до уровня грунтовых вод называется мощностью водоносного горизонта. Уровень грунтовых вод, а, следовательно, и мощность водоносного горизонта — величины непостоянные и могут меняться в течение года в зависимости от климатических условий. Питание грунтовых вод происходит в основном за счет атмосферных и поверхностных вод, но они могут быть и смешанными, инфильтрационно-конденсационными. Участок поверхности земли, с которого поверхностная и атмосферная вода поступает в водоносный горизонт, называется областью питания грунтовых вод. Область питания грунтовых вод всегда совпадает с областью их распространения. Грунтовые воды в силу наличия свободной водной поверхности являются безнапорными, т. е. уровень воды в скважине устанавливается на той же отметке, на которой встречена вода.

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

Грунтовые воды, находясь в постоянном движении, имеют тесную связь с поверхностными водотоками и водоемами. В районах, где атмосферные осадки преобладают над испарением, грунтовые воды обычно питают реки. В засушливых районах очень часто вода из рек поступает в грунтовые воды, пополняя подземные потоки. Может существовать и смешанный тип связи, когда с одного берега грунтовые воды питают реку, а с другого — вода из реки поступает в грунтовый поток. Характер связи может меняться в зависимости от климатических и некоторых других условий.

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

Положение зеркала грунтовых вод на картах изображается с помощью гидроизогипс и гидроизобат. Гидроизогипсы — линии, соединяющие точки с одинаковыми абсолютными отметками уровня грунтовых вод. Эти линии аналогичны горизонталям рельефа и подобно им отражают рельеф зеркала грунтовых вод. Карта гидроизогипс используется для определения направления движения грунтовых вод и для определения значения гидравлического градиента. Направление движения грунтовых вод всегда перпендикулярно гидроизогипсам от более высоких отметок к более низким. Направления, по которым передвигаются грунтовые воды при установившемся неизменяющемся во времени движении, называются линиями тока. Если линии тока параллельны между собой, то такой поток называется плоским. Поток также может быть сходящимся и расходящимся. Чем меньше расстояние между гидроизогипсами, тем больше гидравлический градиент грунтового потока. Гидроизобаты — линии, соединяющие точки с одинаковой глубиной залегания грунтовых вод.

Межпластовыми подземными водами называются водоносные горизонты, залегающие между двумя водоупорами. Они могут быть не напорными и напорными. Межпластовые не напорные воды встречаются редко. По характеру движения они аналогичны грунтовым водам. Межпластовые напорные воды называются артезианскими. Залегание артезианских вод весьма разнообразно, но наиболее часто встречаются синклинальное. Артезианская вода всегда заполняет весь водоносный горизонт от подошвы до кровли и не имеет свободной водной поверхности. Область распространения одного или нескольких уровней артезианских водоносных горизонтов называют артезианским бассейном. Площади артезианских бассейнов огромны и измеряются десятками, сотнями, а иногда и тысячами квадратных километров. В каждом артезианском бассейне различают области питания, распространения и разгрузки. Область питания артезианских бассейнов обычно располагается на больших расстояниях от центра бассейна и на более высоких отметках. Она никогда не совпадает с областью их распространения, которую иногда называют областью напоров. Артезианские воды испытывают гидростатическое давление, обусловленное разностью отметок области питания и области разгрузки, по закону сообщающихся сосудов. Уровень, на котором устанавливается артезианская вода в скважине, называется пьезометрическим. Положение его определяется пьезометрической линией, или линией напоров, условной прямой линией, которая соединяет область питания с областью разгрузки. Если пьезометрическая линия проходит выше поверхности земли, то при вскрытии водоносного горизонта скважинами будет происходить фонтанирование, а напор называется положительным. Когда пьезометрический уровень расположен ниже поверхности земли, то напор называется отрицательным, а вода из скважины не выливается. Артезианские воды, как правило, более минерализованы и меньше связаны с поверхностными водотоками и водоемами, чем грунтовые воды.