Классификации по температуре

1. Безнапорные — воды, находящиеся только под влиянием атмосферного давления, при изменении которого меняется и высота их уровня в скважинах.

Рис. Уровень безнапорных вод устанавливается в скважинах на отметках вскрытия (СУ — установившийся статический уровень)

2. Напорные воды залегают в проницаемых слоях между двумя водоупорами. При вскрытии скважинами уровень воды поднимается по стволу на ту или иную высоту над кровлей водоносных пород (подошвой верхнего водоупора) в зависимости от того, насколько ее давление выше атмосферного. Высота подъема воды в скважине (рис.) называется напором (Н). Уровень воды, установившийся в скважине после вскрытия водоносных пород, называется статическим (СУ), или установившимся уровнем. При откачке он понижается на величину S, называемую понижением. Вокруг скважин формируется депрессионная воронка с радиусом влияния (депрессии) R. Уровень, установившийся при откачке, называется динамическим (ДУ).

Рис. Уровень напорных вод при вскрытии поднимается на определенную высоту. Н — напор, СУ — статический уровень, ДУ — динамический уровень, S — понижение уровня при откачке, R — радиус депрессионной воронки

В зависимости от причин выделяют следующие виды напоров:

1) гидростатический напор – создается за счет разницы уровней в различных частях водонасыщенной толщи. Вода при вскрытии стремится подняться до наиболее высокого уровня, занимаемого ею в водоносной толще, по принципу сообщающихся сосудов (рис.)

2) лито(гео)статический напор – возникает в результате уплотнения мощных глинистых толщ, сопровождаемого отжатием воды из глин в пласты – коллекторы, в которых создается избыточное давление. Уплотнение пород при этом происходит под влиянием литостатического давления, оказываемого вышележащими толщами (рис).

3) тектонический напор – создается при тектонических движениях, чаще при напряжениях сжатия, проявляется при горообразовании, землетрясении.

4) термический напор – возникает за счет повышенных тепловых потоков; вода при нагревании уменьшает плотность и стремится занять наиболее высокое положение.

5) антропогенный (техногенный) напор – проявляется в результате закачки воды в недра под высоким давлением.

2. Химический состав подземных вод.

Вода – универсальный растворитель, поэтому в ней всегда присутствуют различные вещества. Состав растворенных в воде веществ называют химическим составом. Химический состав, условия его формирования и изменения изучаются гидрогеохимией. В.И. Вернадский показал, что химический состав воды представляется как подвижная система взаимосвязанных компонентов: порода – вода – газ – живое вещество. Вследствие взаимодействия этих компонентов воды содержат:

1) ионы, образующие истинные растворы (Cl, SO₄, CO₃, HCO₃, Na, Mg, Ca и др.);

2) коллоидные частицы (Al₂O₃, SiO₂ и др.) размером менее 0,0001 мм;

3) твердые вещества, образующие суспензии и взвеси (глина, пыль и т.д.);

4) вещества органического происхождения;

5) растительные и животные микроорганизмы;

6) газы, большей частью органического происхождения (CO₂, CH₄, NH₃, H₂S и др.).

В природных водах известно более 60 элементов таблицы Менделеева. С некоторой долей условности они делятся на макро- и микрокомпоненты. К макрокомпонентам относят ионы, в сумме составляющие более 95% от общего количества растворенных в воде веществ. Они определяют химический тип воды как природного раствора. В качестве макрокомпонентов обычно выступают: Cl, SO₄, CO₃, HCO₃, NO₃, NO₂, K, Na, Mg, Ca, Fe (II и III), NH₄, содержащиеся в воде в миллиграммовых или граммовых концентрациях. Микрокомпонентами называют химические элементы, содержания которых встречаются в очень малых концентрациях (чаще всего менее 0,001 %), это, например, такие вещества как Li, Be, Ba, Br, I, Ni, Cr и др.

Сумма растворенных в воде неорганических веществ составляет ее минерализацию (М), выражаемую в мг/дм³, г/дм³. Согласно ОСТ 41-05-263-86, выделяют следующие градации подземных вод по величине минерализации (г/дм³):

До 0,5 включительно – весьма пресные;

0,5-1,0 включительно – пресные;

1,0-1,5 включительно – весьма слабосолоноватые;

1,5-3,0 включительно – слабосолоноватые;

3,0-5,0 включительно – умеренносолоноватые;

5,0-10,0 включительно – солоноватые;

10,0-25,0 включительно – сильносолоноватые;

25,0-36,0 включительно – слабосоленые;

36,0-50,0 включительно – сильносоленые;

50,0-150,0 включительно – рассолы слабые;

150,0-350,0 включительно – рассолы крепкие;

Более 350,0 – рассолы весьма крепкие.

Кислотно-щелочные свойства воды: по величине pH подземные воды классифицируют на:

Весьма кислые – до 3,5 включительно;

Кислые – 3,5-4,5 включительно;

Умереннокислые – 4,5-5,5 включительно;

Слабокислые – 5,5-6,0 включительно;

Нейтральные – 6,0-8,0 включительно;

Слабощелочные – 8,0-8,5 включительно;

Умереннощелочные – 8,5-9,0 включительно;

Щелочные – 9,0-9,5 включительно;

Весьма щелочные – более 9,5.

Низкие величины характерны для рудничных вод сульфидных месторождений и вод зоны их выветривания. Высокие значения присущи содовым и некоторым термальным водам.

На практике нередко определяют общую жесткость воды, вызываемую солями кальция и магния, и численно выражаемую суммой их мг/экв.-дм³. Количество солей кальция и магния выпавшее при кипячении в осадок называется устранимой жесткостью. По общей жесткости (мг/экв.-дм³) выделяют (по О.А. Алекину):

Очень мягкие – до 1,5

Мягкие – 1,5-3,0

Умеренно жесткие – 3,0-6,0

Жесткие – 6,0-9,0

Очень жесткие – свыше 9,0.

Изучение химического состава вод проводят с целью:

- выявления региональных закономерностей и локальных особенностей формирования подземных вод;

- выявления гидравлической связи отдельных водоносных горизонтов между собой и с поверхностными водами;

- выявление пригодности вод для питьевого и хозяйственного водоснабжения и прогноза возможного изменения их химического состава при эксплуатации ВГ;

- выявления источников и степени загрязнения ВГ и определения мер борьбы с загрязнением;

- использование данных о химическом составе вод в качестве критериев для прогнозирования и поисков, а также возможностей эксплуатации месторождений полезных ископаемых.

Выделяют три основных вида химических анализов:

1. Полный химический анализ – хим. анализ, при котором количественно определяется 20 компонентов (pH, Cl, SO₄, HCO₃, NO₃, NO₂, K, Na, Mg, Ca, Fe (II и III), NH₄, кремниевая кислота, сухой остаток, CO_{2 своб.}, CO_{2 агрес.}, H₂S, общая жесткость, окисляемость.

2. Сокращенный отличается от полного тем, что Na и K определяются суммарно, не определяются CO_{2 агрес.}и H₂S.

3. Полевой – вид сокращенного анализа, проводимый непосредственно у источника без определения сухого остатка и кремниевой кислоты.

Содержание того или иного компонента в подземных водам выражается в ионной форме (мг/дм³, г/дм³), в ион-эквивалентной (мг/экв.-дм³, г/экв.-дм³) и в процент-эквивалентной форме (%-экв. в дм³).

Записываются результаты анализов в таблицы, а также в виде формулы Курлова, формулы ионного состава.

Газовый состав подземных вод. Газы в недрах присутствуют в свободном, растворенном состоянии и могут быть связаны за счет молекулярных сил с отрицательно заряженными частицами грунта. Количество растворенного в воде газа выражается в см³/л или г/дм³. сумма объемов всех газов называется газонасыщенность. Количество газов, находящихся в природных водах колеблется от 10^-4 до 10^-6%. Максимальное содержание газов достигает 0,1 %, встречается в водах восходящих минеральных источников, основным газовым компонентом этих вод является двуокись углерода. Среди газов, растворенных в природных водах, встречаются главным образом O₂, N₂, CO₂, H₂S, CH₄, H и др. Растворимость газов в воде зависит от ряда факторов, таких как, например, глубина залегания и давление. С их увеличением возрастает количество растворенных газов. Восстановительная обстановка способствует накоплению газов. С другой стороны с глубиной увеличивается минерализация и это ведет к снижению растворимости газов в воде. Для большинства газов с увеличением температуры до 100 °С растворимость снижается, при дальнейшем росте температуры начинает увеличиваться. Процессы газообразования идут повсеместно. Генетически все природные газы смешанные. Газовый состав используется в качестве классификационного признака при систематике минеральных вод. Овчинников использовал газовый состав для систематики столовых минеральных вод и выделил:

- воды с газами окислительной обстановки;

- воды с газами восстановительной обстановки;

- воды с газами метаморфической обстановки;

- воды с радиоактивными веществами.

Лекция №7. Движение подземных вод

1. Фильтрация. Фильтрационный поток.

2. Закон Дарси.

3. Коэффициент фильтрации.

Движение жидкостей и газов в порах и трещинах горных пород называется фильтрацией. Движение воды в пористой среде рассматривается обобщенно для всего поперечно­го сечения фильтрующей среды в целом. При этом важ­нейшей характеристикой движения воды в пористой среде является скорость фильтрации. Скорость фильтрации может быть охарактеризована количеством воды (объемным расходом), которое проте­кает в единицу времени через единицу площади попе­речного сечения пористой среды. Обозначив объемный расход воды, фильтрующейся в единицу времени, через Q, а площадь поперечного сечения пористой среды, через которую протекает вода, — через F, получим следующее выражение для скорости фильтрации V: (м/с).

Выделяют установившийся и неустановившийся режим движения подземных вод. Установившееся движение подземных вод – движение, при котором сохраняются неизменными во времени все основные гидравлические параметры: направление, скорость, расход, напор. Неустановившееся движение подземных вод – движение, при котором расход, направление, скорость и уклон потока непрерывно изменяются во времени.

Водоносный горизонт, через который идет фильтрация воды, называется фильтрационным потоком, который характеризуется рядом гидродинамических элементов. Основными элементами фильтрационного потока являются: пьезометрический напор, напорный градиент, линии тока и линии равных напоров.

Пьезометрический напор – давление столба воды в рассматриваемой точке над водоупорной кровлей напорного водоносного горизонта.

Напорный градиент (перепад напора) – при движении воды через поры горных пород часть напора теряется на трение, что создает уклон поверхности подземных вод в сторону их движения.

Линии тока представляют собой линии, которые касательны в каждой своей точке к вектору скорости частицы жидкости, находящейся в этой точке. При установившемся движении в каждой из точек фильтрационного потока скорости остаются постоянными во времени, по величине и направлению, следовательно, постоянными остаются и линии тока. При установившемся режиме линии тока совпадают с траекторией движения частиц жидкости. При неустановившемся режиме скорость частиц в каждой точке движения изменяется по величине, направлению, следователь изменяются и линии токов, линии тока в данном случае не совпадают с траекторией движения частиц, а отражают лишь направление движения точек.

Линии, перпендикулярные линиям тока, называются линиями равных напоров, их проекции на горизонтальную плоскость представляют собой гидроизогипсы (для безнапорных потоков) и гидроизопьезы (для напорных).

Движение подземных вод в горных породах может быть ламинарным или турбулентным. Ламинарное, или параллельно-струйчатое, движение — движение, когда струйки воды передвигаются без завихрения, параллель­но одна другой с небольшими скоростями течения без разрыва сплошности потока. Турбулентное движение — движение воды, для которого характерны большие ско­рости, вихреобразность, пульсация и перемешивание отдельных струй. Чаше в природных условиях движение воды в пористой и трещиноватой среде соответствует ламинарному.

Ламинарное движение подземных вод в горных поро­дах подчиняется линейному закону фильтрации, уста­новленному экспериментально в 1856 г. французским гидравликом Анри Дарси. Дарси проводил опыты по фильтрации по фильтрации воды в цилиндре, заполненным песком. На основании опытов было установлено, что количе­ство воды Q, фильтрующейся через фильтр в единицу времени, прямо пропорционально площади сечения F, разности уровней ∆Н (Н2-Н1), под действием которой происходит фильтрация, и обратно пропорционально длине пути фильтрации ∆L:

:

где К — постоянный коэффициент пропорциональности, зависящий от физических свойств породы и фильтрую­щейся жидкости и названный коэффициентом фильтрации. Отношение (Н1-Н2)/ ∆L = ∆ Н/ ∆L, показывающее из­менение уровня по пути фильтрации, называется напор­ным или гидравлическим градиентом и обозначается че­рез I. Гидравлический градиент (уклон) — величина без­размерная.

Разделив обе части уравнения на площадь се­чения F и используя понятие скорости фильтрации Q/F=V, получим линейную зависимость скорости фильтрации от напорного градиента

Рис. Опыт А. Дарси

Коэффициент фильтрации является основным показателем водопроницаемости пород, используется как классификационный признак:

1) водопроницаемые – К>1 м/сут.,

2) слабопроницаемые – К=1-1*10^-4 м/сут.,

3) водонепроницаемые – К<1*10^-4 м/сут.

Методы определения коэффициента фильтрации включают три группы:

- расчетные;

- лабораторные;

- полевые.

Расчетные методы предполагают определение К по эмпирическим формулам: Зауербрея, Газена, Крюгера, Слихтера и др. Лабораторные методы построены на принципе использования прибора Дарси. В большинстве случаев они используют грунт нарушенной структуры, что, естественно, дает несколько завышенные результаты. Полевые методы (откачки и наливы) считаются наиболее точными и широко используются в практике, однако являются наиболее трудоемкими и дорогостоящими.

1. Расчет коэффициента фильтрации для грунтового совершенного колодца. Совершенным называют колодец, полностью прошедший водоносные породы и остановленный в подстилающем их водоупоре. При расчетах используются следующие параметры (рис.)

Q – дебет (расход) колодца, м³/сут. – замеряется при откачке;

R – радиус депрессионной воронки, м;

r – радиус колодца (скважины), м;

Н – мощность водоносных пород, м (безнапорный горизонт);

S – понижение уровня воды в колодце при откачке, м;

К=0,733*(Q*(lgR-lgr)/(2H-S)*S), м/сут

2. Расчет коэффициента фильтрации для артезианского совершенного колодца

Здесь, кроме приведенных выше параметров используется m – мощность напорного водоносного горизонта (рис.) и коэффициент пропорциональности (0,66):

К=0,66*(Q*(lgR-lgr)/(m*S), м/сут

Закон Дарси применяется в подавляющем большинстве случаев, т.к. движение вод в основном ламинарное, однако если превышается так называемая критическая скорость, при которой движение вод становится турбулентным, закон Дарси уже не применим. В этих случаях работает закон Шези-Краснопольского:

V=K*√I, м/сут.

Фильтрация со скоростями больше критических проявляется в крупнозернистых грунтах, широких трещинах, карстовых каналах, близ горных выработок при большом понижении уровня и т.п. Например, величина критической скорости в крупнозернистых песках составляет 432 м/сут.

Ф.П. Саваренский выделил пять типов подземных вод и дана краткая характеристика:

Лекция №8. Расчет расхода потока. Водозаборные сооружения. Режим подземных вод

1. Расчет расхода потока.

2. Водозаборные сооружения.

3. Режим подземных вод.

Единичный расход – это расход потока шириной, равной единице (1 м и т.п.). Для грунтовых вод, исходя из Q=K*F*I, можно записать Q=K*B*h_ср*I, где B – ширина потока, м и h_ср – средняя высота (мощность) потока, м. Если B=1, то можно записать единичный расход: q= K*h_ср*I, или q= м³/сут. – для грунтовых вод, для напорных вод формула следующая: , м³/сут. Эти формулы применимы для плоских потоков, в которых линии токов ориентированы параллельно друг другу. Перпендикулярно им расположены линии равных напоров (гидроизогипсы для грунтовых вод и гидроизопьезы для артезианских). Совокупность линий равных напоров и токов составляет гидродинамическую сетку – сетку движения подземных вод.

Радиальный поток характеризуется линиями токов, расходящихся или сходящихся по радиусам. Линии равных напоров образуют концентры. Подобные случаи возникают при нагнетании вод в скважину или при откачках (рис.). В практике используется построение кривой депрессии, позволяющей определить отметки поверхности потока в любой его точке между двумя скважинами или любыми произвольными сечениями (рис.).

Под водозаборными сооружениями понимаются инженерные сооружения по забору подземных вод или воды из реки и водохранилища в водопроводные, оросительные, гидроэнергетические и другие системы. Водозаборы подземных вод устраивают в виде одиночных скважин или колодцев, системы скважин или колодцев, подземных водосборных галерей, сооружаемых для каптажа родников. Колодцы по способу их проходки делятся на копанные, забивные, буровые. По характеру напора они могут быть грунтовые или артезианские. По глубине заложения: совершенные (прошли водоносный пласт до нижнего водоупора) и несовершенные (вскрыли водоносный пласт не полностью). Поступление воды в несовершенный колодец осуществляется через дно и стенки (или только через дно), в совершенный колодец вода поступает только через стенки.

Наиболее ответственной частью забивных и буровых колодцев является фильтр. Каркасы для фильтров могут быть деревянными, керамическими, стеклянными, металлическими, последние употребляются наиболее часто. Размер фильтра определяется конечным диаметром скважин (рис.). В практике в качестве фильтра обычно используется металлическая трубка с отверстиями круглого (размером 1-2 см) или прямоугольного (размером 0,8-1,5 см) сечения. Количество отверстий на 1 пог. м. трубы 800-500 штук в зависимости от ее диаметра. Чтобы в скважину не попал песок, перфорируемую трубу покрывают фильтровальной сеткой. Размеры сетки подбираются так, чтобы через нее просеивался грунт водоносного горизонта в сухом состоянии в количестве до 40% от общего его объема. При таком выносе из водоносного горизонта вокруг фильтра образуется хорошо проницаемый грунт, не создающий больших сопротивлений при движении воды к скважине.

Приток воды к совершенному грунтовому колодцу. В основе расчетных формул лежит закон Дарси. Дебит грунтового совершенного колодца при однородном грунте определяется по формуле Дюпюи:

, м³/сут., где

Н – мощность водоносного горизонта, м;

h – мощность слоя воды в скважине при откачке, м;

R – радиус влияния, м;

r – радиус скважины, м;

K – коэффициент фильтрации, м/сут.;

Q – дебит, м³/сут.

Расчет радиуса влияния скважины. Радиус влияния определяется по формуле Кусакина:

, м, где

47 и 6 – эмпирические коэффициенты;

K – коэффициент фильтрации, м/сут.;

H – мощность водоносного горизонта, м;

T – время с начала откачки, часы;

µ - коэффициент водоотдачи грунта.

Приток воды к артезианскому совершенному колодцу. Расчет ведется с использованием формулы Дюпюи:

, а так как H-h=S, то формулу можно записать в виде:

, м³/сут.

В напорных водоносных горизонтах депрессионная воронка может находиться выше кровли водоносного горизонта.

Зависимость дебита от понижения. Дебит артезианского совершенного колодца изменяется прямо пропорционально понижению уровня Q=qS, где Q – дебит артезианской скважины, м³/сут.; q – удельный дебит скважины (дебит при понижении на 1 м, м³/сут.); S – понижение уровня воды в скважине при откачке, м. При понижениях уровня воды в скважине, не превышающих 25% от величины напора, на графике зависимости дебита от понижения значения q расположатся на прямой линии. При больших понижениях увеличивается сопротивление движению воды в водоносном пласте. В этом случае дебит будет меняться не пропорционально понижению и зависимость будет более сложной.

Режим подземных вод. Под режимом подземных вод понимают непрерыв­ный процесс изменения во времени их ресурсов, физиче­ских свойств, химического и газового состава под влия­нием совокупности взаимодействующих и изменяющих­ся во времени естественных факторов.

К естественным (природные) факторам, определяю­щим режим подземных вод, относятся климатические, геологические, гидрогеологические, почвенные, биогенные и др.

Искусственные факторы оказывают влияние на ре­жим подземных вод на участках хозяйственной деятель­ности человека: массивах орошения и осушения земель, строительства водохранилищ и других водоемов. Влия­ют также эксплуатация подземных вод для целей во­доснабжения, борьба с подземными водами при эксплуа­тации месторождений полезных ископаемых, искусст­венное пополнение запасов подземных вод и многие дру­гие факторы.

Режим подземных вод, определяемый только природ­ными факторами, называют естественным (ненарушенный), а если на его формирование существенное влия­ние оказывают искусственные факторы — искусствен­ным (нарушенный).

Основные изменения, которым подвержены подземные воды, следующие.

1. Эпизодические, связанные с изменением кратковременных явлений природы: выпадением осадков, таянием снега, изменением температуры и т.д.

2. Суточные, связанные с изменением температуры и влажности воздуха в течение суток.

3. Сезонные, наиболее закономерные, обусловленные изменением температуры, количества осадков, величины испарения и т.д. по сезонам года.

4. Годовые, обусловленные количественными различиями в метеорологическом режиме в различные годы, например, сухие и влажные, теплые и холодные годы.

5. Многолетние, связанные со многими причинами. Одной из них является изменение солнечной активности. Активность на солнце не постоянна и подвержена периодическим колебаниям с периодами 11 лет, 22 года, 100 лет и др. Изменение активности солнца сказывается на многочисленных явлениях на Земле, например, установлено, что уровень колебаний грунтовых вод в Средней Азии имеет период колебаний 11 лет, этот факт связывают с деятельностью Солнца.

6. Геологические, связанные с изменением физико-географических условий на Земле, происходящие в течение геологического времени, с перемещением бассейна реки, изменением соотношений горных и равнинных областей, климатических условий и т.д.

Лекция№9. Грунтовые воды. Артезианские воды.

1. Грунтовые воды: условия питания, залегания и разгрузки.

2. Артезианские воды: условия питания, залегания и разгрузки.

\

1. Грунтовые воды – подземные воды первого от поверхности постоянно существующего водоносного горизонта, расположенного на первом водоупорном слое. Воды, как правило, безнапорные, при вскрытии буровой скважиной или колодцем их уровень устанавливается на той глубине, на которой они были встречены. На отдельных участках, где есть локальное водоупорное перекрытие, грунтовые воды приобретают местный небольшой напор.

Поверхность грунтовых вод называется зеркалом или скатертью. Относительно однородные по литологическим особенностям и водным свойствам пласты горных пород, содержащие грунтовые воды, называются водоносным горизонтом или водоносным пластом. Водонепроницаемая порода, подстилающая водоносный пласт, называется водоупором или водоупорным ложем. Мощность водоносного горизонта (потока) h определяется расстоянием по вертикали от уровня грунтовых вод до кровли подстилающего водоупорного пласта.

Грунтовые воды обычно имеют слабоволнистую поверхность, часто с уклоном в сторону ближайшего понижения (овраг, балка, речная долина и т. д.). В зависимости от величины уклона поверхности и водопроводимости пластов грунтовые воды движутся в сторону ближайшего понижения с той или иной скоростью, образуя грунтовый поток. Участки с горизонтальной поверхностью грунтовых вод называются бассейном грунтовых вод.

При пересечении речной долиной, оврагом или другими отрицательными формами рельефа воды грунтового потока будут разгружаться; на таких участках встречаются пластовые высачивания воды, выходы источников, мочажины. Как правило, грунтовые потоки образуют источники нисходящего типа. Грунтовый поток, плавно понижающийся к месту разгрузки, образует криволинейную поверхность, называемую депрессионной поверхностью.

Связь между грунтовыми и речными водами может быть различной, что устанавливается по характеру гидроизогипс. В районах с влажным и умеренным климатом речные долины, как правило, дренируют грунтовые воды, т. е. зеркало грунтовых вод имеет уклон к реке и речные воды питаются за счет грунтовых (рис. а). В районах с засушливым климатом нередко уровень грунтовых вод понижается от реки в сторону речных берегов. Здесь речные воды расходуются на питание грунтовых вод (рис. б).

В природных условиях отмечаются и более сложные взаимоотношения грунтовых и речных вод. Например, в горных районах с одного склона речной долины в русло реки могут поступать грунтовые воды, а другой противоположный берег в то же время оказывается поглощающим речные воды (рис. в).

Иногда грунтовые воды гидравлически связаны с болотными водами, с которыми могут быть связаны также воды верховодки. Болота по своему местоположению и питанию делятся на верховые, низинные и переходные.

Питание грунтовых вод для конкретного участка определяется инфильтрацией атмосферных осадков и поглощением вод поверхностного стока и бокового притока со смежных участков. Расходование грунтовых вод происходит путем испарения с уровня и транспирации их растениями и подземного оттока с участка.

Зональность грунтовых вод. Зональность грунтовых вод тесно связана с зональностью климата и зональностью поверхностных образований: растительности, почвенного покрова и направления выветривания, наблюдающихся на поверхности земного шара. На территории РФ два генетических типа грунтовых вод: 1) грунтовые воды выщелачивания и 2) грунтовые воды континентального засоления. Грунтовые воды выщелачивания характерны для областей с избыточным увлажнением, т. е. для таких областей, где годовое количество атмосферных осадков превышает величину годового испарения. В пределах распространения грунтовых вод выщелачивания наблюдается постепенное увеличение их минерализации с севера на юг.

Грунтовые воды континентального засоления формируются на территориях сухих степей, полупустынь и пустынь, где вследствие малого количества осадков, интенсивного испарения и отсутствия естественного дренажа нет благоприятных условий для развития грунтовых потоков. По степени минерализации воды континентального засоления изменяются от слабосолоноватых до соленых; по химическому (анионный) составу они относятся к сульфатному, сульфатно-хлоридному и хлоридному типам.

Основные виды грунтовых вод по условиям залегания: 1) речных долин; 2) ледниковых отложений; 3) степей, полупустынь и пустынь; 4) конусов выноса и предгорных наклонных равнин; 5) горных областей; 6) морских побережий.

2. Артезианскими называют подземные воды, находящиеся в водоносных горизонтах (комплексах), перекрытых и подстилаемых водоупорными или относительно водоупорными пластами и обладающие напором, который обусловливает подъем уровня вод над их кровлей при вскрытии воды скважинами или другого вида выработками.

Артезианские воды получили название от провинции Артуа в Южной Франции (древнее латинское название— Артезия), где в XII в. (1126) впервые в Европе был найден колодец, вскрывший самоизливающуюся воду. Такие колодцы получили название артезианских. Затем артезианскими стали называть подземные воды и водоносные горизонты, в которых вода находится под избыточным давлением и при их вскрытии изливается на поверхность.

По условиям залегания подземных артезианских вод выделяются артезианские бассейны, артезианские склоны, субартезианские бассейны, а также напорные воды в зонах крупных тектонических разломов.

Артезианский бассейн — совокупность артезианских водоносных горизонтов или комплексов, залегающих в тектонических синклинальных структурах. В частном случае в артезианском бассейне может быть только один водоносный горизонт или комплекс.

В каждом артезианском бассейне принято выделять три области (Г. Н. Каменский, Н. И. Толстихин, А. М. Овчинников и др.): 1) область современного питания (современная инфильтрация) и создания напора, 2) область разгрузки и 3) область распространения напора.

Область современного питания и создания напора — площади выхода на дневную поверхность водоносных пород, которые слагают артезианский бассейн и его основание, располагающихся на наивысших гипсометрических отметках. Питание происходит за счет инфильтрации атмосферных осадков, путем перетока вод из одного смежного горизонта в другой, при гидравлической связи с грунтовыми водами на участках, где размыты кроющие водонепроницаемые пласты или же происходит их фациальное изменение, т. е. переход в проницаемые разности пород.

Если пьезометрическая поверхность артезианских вод располагается на более высоких абсолютных отметках по сравнению с отметками зеркала грунтовых вод, напорные воды будут питать грунтовые; при обратном соотношении отметок горизонтов подземных вод грунтовые воды расходуются на питание артезианских.

Область разгрузки — участки выхода водоносных горизонтов и комплексов на поверхность на более низких абсолютных отметках по сравнению с областью питания.

А. М. Овчинников выделяет современные и древние очаги разгрузки; современные подразделяются на естественные и искусственные, среди которых выделяются открытые и скрытые.

К открытым (естественные) очагам относятся эрозионные (локализованные очаги разгрузки в долинах рек, бессточных впадинах и пустынных районах); барьерные (при наличии препятствий на пути движения артезианских вод); структурно-тектонические (зоны тектонических разломов, антиклинальные структуры в горно-складчатых областях и др.).

Скрытые очаги разгрузки подразделяются на внешние и внутренние. К скрытым внешним очагам разгрузки А. М. Овчинников относит рассредоточенную разгрузку подземных вод через водоупорные толщи при наличии больших напорных градиентов.

Искусственные очаги разгрузки — это крупные водозаборы подземных вод (группа скважин, из которых проводится отбор воды для водоснабжения или других целей) и одиночные водозаборные сооружения (обычно скважины), при длительной эксплуатации которых в некоторых водоносных горизонтах создаются понижения статических уровней на 80—120 м.

Область распространения напора (область напорного стока) —основная площадь развития артезианского бассейна, для водоносных горизонтов которой характерны пьезометрические (напорные) уровни подземных вод.

Уровень напорных вод называют пьезометрическим. Пьезометрический уровень всегда располагается выше кровли водоносного горизонта. Пьезометрический уровень, превышающий отметки поверхности земли, называют положительным. Если же пьезометрический уровень не достигает поверхности земли, его называют отрицательным. Расстояние по вертикали от кровли водоносного горизонта до пьезометрического уровня называется напором над кровлей водоносного горизонта. Распределение пьезометрических уровней на всей площади распространения артезианских вод определяется соотношением их отметок в области питания и разгрузки.

Артезианский склон — это своеобразный асимметричный бассейн напорных подземных вод, встречаемый обычно в моноклинально залегающих водоносных горизонтах, выклинивающийся по мере погружения, или же его возникновение связано с изменением литологических особенностей водоносных пород, состав которых изменяется до слабопроницаемых и даже водоупорных.

По Ф. П. Саваренскому, к субартезианским водам относят подземные воды, не обладающие постоянным определенным напором, который может изменяться на коротком расстоянии как по площади, так и во времени. Таким образом, совокупность водоносных горизонтов (в частном случае один водоносный горизонт), содержащих субартезианские воды в пределах определенной геологической структуры, и принято называть субартезианским бассейном. К субартезианским бассейнам Ф. П. Саваренский относил межпластовые воды в области периодического питания.

Построение и анализ карт гидроизопьез. Характер пьезометрической поверхности того или иного напорного водоносного горизонта в пределах его распространения на картах обычно изображается гидроизопьезами (изопьезы, пьезоизогипсы) — линиями, соединяющими точки с одинаковыми абсолютными отметками пьезометрического уровня. Карта гидроизопьез обязательно сопровождается гидрогеологическими разрезами.

Особенности режима артезианских вод. В. С. Ковалевский к числу основных факторов, определяющих особенности режима неглубоко залегающих артезианских вод, относит следующие: а) климатические особенности территорий, на которых осуществляется их питание; б) степень изолированности водоносного горизонта от поверхности земли; в) степень дренированности водоносных горизонтов, определяющая интенсивность водообмена подземных вод.

Гидродинамическая и гидрохимическая зональность водонапорных систем. Водонапорная система — совокупность бассейнов (или отдельные крупные бассейны) подземных вод различного строения, которые находятся в определенных сравнительно крупных геологических структурах, четко оконтуриваемые по данным закономерностей распространения и формирования подземных вод.

В артезианских бассейнах выделяют гидрогеохимические разрезы следующих типов:

1) характеризующиеся постепенным увеличением минерализации воды с глубиной вплоть до фундамента бассейна; первый тип гидрогеохимических разрезов показателен для водонапорных систем, лишенных галогенных отложений (т.е. отложений, содержащих хлор, фтор, бром, йод). В таких водонапорных системах мощность зоны пресных вод обычно зависит от глубины вреза местной гидрографической сети и ее густоты, водопроницаемости пород, степени изолированности водоносных комплексов и горизонтов от дневной поверхности водоупорными породами и климатических особенностей.

2) с чередованием зон подземных вод разной минерализации; второй тип гидрогеохимических разрезов характерен для периферийных частей некоторых водонапорных систем, прилегающих к высоким горным сооружениям (Азово-Кубанская и другие водонапорные системы).

3) разрезы, где в верхней части отмечается увеличение, а в нижней— (к фундаменту) уменьшение минерализации воды. Третий тип гидрогеохимических разрезов установлен для водонапорных систем, в геологическом строении которых участвуют мощные толщи соленосных отложений. В таких водонапорных системах минерализация воды возрастает до отметок залегания соленосных отложений, а в подсоленосных толщах отмечается уменьшение минерализации воды с глубиной (Волго-Камская, Ангаро-Ленская и другие водонапорные системы).

Лекция №10. Трещинные и карстовые воды

1. Трещинные воды и воды зон тектонических нарушений

2. Карстовые воды

1. Движение подземных вод в трещиноватых породах, подчиняется линейному закону фильтрации. Это объясняется обычно небольшой шириной трещин, а также тем, что значительная часть более широких трещин в той или иной степени заполнена песчано-глинистым или другим материалом. Следовательно, движение подземных вод в трещиноватых породах происходит по тому же закону, что и в рыхлых зернистых породах.

Условия распространения и движения подземных вод в трещиноватых породах различны в зависимости от характера, происхождения и размеров трещин. В трещинах скальных пород заключены как безнапорные, так и напорные воды. Напор подземных вод обычно обусловлен гидростатическим давлением воды во взаимно пересекающихся трещинах, часть которых располагается в области питания на более высоких отметках, где поглощаются атмосферные осадки и поверхностные воды, а из нижерасположенных трещин выходят под давлением источники. На других участках давление воды в трещинах связано с давлением газа, поднимающегося из более глубоких зон литосферы. В районах молодой вулканической деятельности подъем воды по трещинам пород иногда вызывается давлением водяных паров с температурой более 100° С.

Водоносность трещиноватых пород тесно связана не только с условиями питания, но также и со степенью и характером трещиноватости.

Граниты и другие кристаллические породы нередко оказываются слабо водообильными. Подземные воды в таких породах чаще движутся по трещинам выветривания. Глубина распространения трещин выветривания достигает 30—50 м и в исключительных случаях 100 м.

Поиск по сайту: