Факторы, влияющие на химический состав подземных вод:

1. геологические – минерализация увеличивается с глубиной, т. к. ухудшаются условия их циркуляции и водообмена. В зоне активного водообмена воды интенсивно циркулируют и являются слабо минерализованными (гидрокарбонатно-кальциевые, реже сульфитные). В двух нижних зонах – сильно минерализованные и рассолы, т.к. они являются застойными с большим содержанием газов.

2. климатические – при большом количестве атмосферных осадков и незначительном испарении в условиях хорошей промытости пород формируются пресные гидрокарбонатно-кальциевые воды. В районах с небольшим количеством осадков и большим испарением, слабой промытостью грунтов формируются солоноватые и солёные воды хлоридного и сульфатного составов.

3. Геоморфологические:

• рельеф – чем выше приподнята местность, тем лучше промытость пород, активнее водообмен;

• формируются пресные воды;

• водопроницаемость (в верхних частях земной коры залегают породы с высокой водопроницаемостью – пресные гидрокарбонатно-кальциевые воды.

Основной химический состав подземных вод определяется содержанием наиболее распространенных трех анионов - НСО3^-, S0₄^2-, Сl^- и трех катионов - Са²⁺, Mg²⁺, Na⁺. Соотношение указанных шести элементов определяет основные свойства подземных вод - щелочность, соленость и жесткость.

По анионам выделяют три типа воды:

1) гидрокарбонатные;

2) сульфатные;

3) хлоридные

и ряд промежуточных

- гидрокарбонатно-сульфатные,

- сульфатно-хлоридные,

- хлоридно-сульфатные и более сложного состава.

По соотношению c катионами они могут быть кальциевыми или магниевыми, или натриевыми, или смешанными кальциево-магниевыми, кальциево-магниево-натриевыми и др. При характеристике гидрохимических типов на первое место ставится преобладающий анион. Так, например, пресные воды в большинстве случаев гидрокарбонатно-кальциевые или гидрокарбонатно-кальциево-магниевые, а солоноватые - могут быть сульфатно-кальциево-магниевыми.

Классификация подземных вод по условиям залегания:

1. верховодка;

2. грунтовые воды;

3. межпластовые;

4. трещинные;

5. карстовые;

6. воды районов многолетней мерзлоты.

Многие исследователи в качестве основного признака используют принадлежность разных видов подземных вод к конкретным зонам: 1) зоне аэрации и 2) зоне насыщения.

В зоне аэрации можно выделить почвенные воды и верховодку.

В зоне насыщения выделяют воды: 1) грунтовые; 2) межпластовые безнапорные; 3) межпластовые напорные, или артезианские.

Лекция № 5. Верховодка. Грунтовые воды.

План:

1. Верховодка.

2. Грунтовые воды.

3. Карта гидроизогипс.

Верховодка – это временное скопление подземных вод в зоне аэрации.

Залегает она на небольшой глубине от поверхности земли. Образуется над локальными водоупорами (линзами глин и суглинки в пески).

При инфильтрации вода просачивается и временно задерживается на них и образует тип подземной воды. Чаще всего это происходит в период снеготаяния или обильных дождей. В засушливое время верховодка может полностью исчезнуть в результате испарения и просачивания в нижележащие слои.

В легко-водопроницаемых породах (пески, галечники) верховодка проникает редко, также как и в сильно-влагоёмких набухающих глинах.

Наиболее типичны суглинки и лёссовые породы. Но верховодка может образоваться, даже если в зоне аэрации отсутствуют водоупорные пропластки.

Например, в толщу суглинков обильно поступает вода, но из-за низкой водопроницаемости вода просачивается медленно и в верхней части образуется верховодка. Через время эта вода рассасывается.

Чаще всего верховодка появляется на равнинных участках, особенно в понижениях микрорельефа (степные блюдца), задерживающих талые снеговые и дождевые осадки.

По величине минерализации воды от пресных (в северных районах) до солоноватых и солёных (в засушливых районах).

Водообильность верховодки незначительна, поэтому использование для водоснабжения ограничено: неглубокие колодцы в сельской местности, сезонное водоснабжение. Колодцы, вскрывшие верховодку, обнаруживают наибольшую водообильность весной, после снеготаяния, или в осеннее время, в период обильного выпадения осадков.

Для постоянного водоснабжения непригодна. Ввиду незначительной мощности водонасыщенных слоев и зависимости от местных условий питания верховодка, как правило образует лишь временное скопление воды, которое исчезает в засушливое время года или с устранением искусственного источника питания. Поэтому вода верховодки используется лишь для водоснабжения отдельных хозяйств в сельской местности и иногда для сезонного водоснабжения мелких предприятий.

Качество вод верховодки различно. В районах избыточного увлажнения эти воды слабо минерализованы (гидрокарбонатные кальциевые), в районах засушливых (чаще в южных) — сильно минерализованы и относятся к хлоридному натриевому типу. На тер­риториях городов и населенных пунктов воды верховодки вслед­ствие неглубокого залегания от поверхности подвержены сильному загрязнению.

Верховодка опасна для строительства:

При строительных работах наличие верховодки является небла­гоприятным фактором. В последние годы на территориях некоторых городов и промышленных площадках для устранения вредного влияния верховодки применяется дренаж, который устраивается не только вокруг отдельных зданий, но и на значительных террито­риях, примыкающих к промышленным площадкам.

Грунтовые воды.

Грунтовые воды - это воды первого от поверхности постоянного водоносного горизонта, выдержанного по площади и расположенного на первом водоупорном слое.

Грунтовые воды сверху не перекрыты водоупорными слоями.

Свободную поверхность грунтовых вод называют – зеркалом, (в разрезе - уровнем). Зеркало грунтовых вод - поверхность грунтовых вод, служащая разделом зоны насыщения и зоны аэрации. Зеркало грунтовых вод:

- изображается с помощью карты гидроизогипс;

- подвержено суточным, сезонным и годовым колебаниям;

- сопровождается капиллярной каймой.

Водоносный пласт (или водоносных горизонт) - это слой или пласт горных пород, насыщенный подземной водой. Мощность водоносного пласта – расстояние от водоупора до уровня подземных вод.

Питание грунтовых вод происходит за счет просачивания атмосферных осадков и конденсации водяных паров, а также поступления воды из поверхностных водоёмов.

Значительно реже грунтовые воды подпитываются со стороны глубокозалегающих напорных вод.

H – мощность водоносного горизонта;

h – мощность водопроницаемых пород.

Грунтовые воды находятся в непрерывном движении. Они образуют грунтовые потоки.

Формы залегания грунтовых вод:

1. грунтовые потоки

2. грунтовые бассейны

3. грунтовые потоки с бассейнами

Грунтовые воды в бассейнах остаются неподвижными и имеют горизонтальную поверхность.

Уклон поверхности грунтового потока соответствует уклону рельефа поверхности земли и направлен в сторону ближайшего понижения.

В местах выхода грунтовых вод на поверхность образуются родники, заболоченность.

Это места естественной разгрузки (дренирование) грунтовых вод.

Места выхода грунтовых вод на поверхность в виде родников, заболоченных участков называются местами естественной разгрузки.

Зеркало грунтовых вод отражает рельеф земной поверхности.

Наибольшая глубина залегания грунтовых вод – на водоразделах, наименьшая – в понижениях рельефа.

h₁ и h₂ – глубины залегания грунтовых вод.

Рельеф местности и зеркало залегания грунтовых вод.

Обычно грунтовые воды залегают на глубине 2–10 м. Преимущественно они - пресные, реже солоноватые и соленых (гидрокарбонатно-кальциевые, сульфитные и сульфатно-хлоридные).

Грунтовые воды широко используют для водоснабжения.

Достаточно обильные грунтовые воды расположены в долинах рек, предгорных равнинах, в областях развития ледниковых отложений.

Для выявления характера грунтовых вод составляют карты гидроизогипс.

Карта гидроизогипс - карта, на которой отображается положение зеркала грунтовых вод в виде гидроизогипс. Гидроизогипсы – линии, соединяющие точки с одинаковыми абсолютными или относительными отметками уровней грунтовых вод.

Карты гидроизогипс необходимы при решении многих задач, связанных с проектированием водозаборов подземных вод, борьбой с подтоплением территорий.

Для построения карт замеряют уровни грунтовых вод в скважинах, расположенных по сетке. Замеры уровней воды должны быть единовременными.

Линии гидроизогипс аналогичны горизонталям рельефа местности и тоже отражают рельеф зеркала вод.

Абсолютные отметки статического уровня подземных вод в скважинах:

УГВ_ст = h_пов – h.

где h_пов. – абсолютная отметка поверхности земли;

h – глубина залегания подземных вод от поверхности земли, м

Полученные отметки надписывают над каждой скважиной и методом интерполяции строят гидроизогипсы.

Рис. Пример составления карт гидроизогипс по скважинам

Чаще всего частоту заложения выбирают от 0,5 до 10,0 м (0,5; 1,0; и 2,0). С помощью карты гидроизогипс можно определить направление и скорость движения грунтового потока в любой точке.

Для определения направления нужно провести перпендикуляр к гидроизогипс в данной точке. Грунтовый поток движется по нормали в сторону меньших отметок.

Для определения уклона потока грунтовых вод разность отметок двух смежных гидроизогипс делят на расстояние между ними (по нормали) в соответствии с масштабом карты. Чем выше степень сгущения гидроизогипс, тем больше уклон поверхности потока грунтовых вод и выше скорость движения.

Рис. Карта гидроизогипс и горизонталей поверхности земли.

1- гидроизогипсы 2 - горизонтали 3 - Участок временного

заболачивания

Используя гидроизогипс можно в любой точке карты определить глубину залегания грунтовых вод (разность отметок горизонталей и гидроизогипс). Гидроизогипс дают возможность для любого заданного участка карты определить гидравлический уклон (градиент) грунтового потока, выяснить, как он изменяется на различных участках, вскрыть причины этих изменений. Для определенного гидравлического уклона I разность отметок двух смежных гидроизогипс делится на расстояние между ними по нормальному к ним направлению.

Рис. Схема расчета уклона поверхности грунтовых вод.

Подсчитывают гидравлический уклон (градиент) грунтового потока в указанном квадрате (рис.6) по формуле:

,

где I – гидравлический уклон;

h₁ – мощность потока в сечении 1;

h₂ – мощность потока в сечении 2;

l – расстояние между сечениями.

Чем меньше l - расстояние между гидроизогипсами, тем больше уклон грунтового потока, и наоборот. Обычно для участка, имеющего в среднем одинаковые условия питания по площади, сгущение гидроизогипс (т.е. увеличение уклона) может быть вызвано либо уменьшением мощности водонасыщенной части пласта или его ширины, либо уменьшением его фильтрационных свойств.

Очень важен для практики характер связи поверхностных и грунтовых вод. Об этом характере можно тоже судить по карте гидроизогипс. Грунтовые воды в отличие от верховодки тесно связаны с реками, каналами. Изменение уровня реки вызывает изменения уровня грунтовых вод и их подпор. Так в период паводка на реках УГВ в береговой зоне повышается и грунтовые воды питаются со стороны реки.

Горные реки выходящие на долину независимо от времени года питают грунтовые воды (Сырдарья, Амурдарья). Если водоупорное ложе грунтового потока выше уровня воды в реке, то гидравлическая связь между ними может отсутствовать.

Установления характера взаимосвязи необходимо при определении водопритоков к водозаборам, расположенным около поверхностных водоемов, оценки возможности загрязнения подземных вод со стороны реки, содержащие вредные вещества и т.д. если они резко меняют свою водопроницаемость.

На рисунке представлена взаимосвязь грунтовых вод и реки соответственно в межень (1) и при паводке (2).

Рис. Взаимосвязь грунтовых и поверхностных вод (река)

На другом рисунке представлено взаимодействие грунтовых с рекой. Реку А питают грунтовые воды. Река Б питает грунтовые воды. Река В питает грунтовые воды с одной стороны, а с другой грунтовые воды питают реку.

Рис. Виды взаимосвязи поверхностных и грунтовых вод

Если гидравлической связи между поверхностными и грунтовыми водами не существует, то гидроизогипсы поверхностный водоток без искривлений (а). Если грунтовые воды питаются за счет поверхностных, то гидроизогипсы изгибаются вниз по течению реки, поскольку зеркало грунтовых вод в этом случае наклонено от реки (б). Если же грунтовая вода питает поверхностный водоток, то гидроизогипсы будут изогнуты вверх по течению реки и в этом случае зеркало грунтовых вод наклонено к реке (в).