Лекция 2

ВИДЫ ПОДЗЕМНЫХ ВОД ПО УСЛОВИЯМ ЗАЛЕГАНИЯ

ПЛАН

1. Верховодка

2. Грунтовые воды

3. Артезианские воды.

4. Подземные воды в трещиноватых и закарстованных породах.

5. Подземные воды в многолетнее-мерзлых породах.

Виды воды в горных породах:

1. Вода в форме пара

2. Гигроскопичная вода

3. Пленочная вода

4. Капиллярная вода

5. Гравитационная вода

6. Вода в твердом состоянии

7. Кристаллизационная и химически связанная вода.

Наиболее значимые для гидрогеологии – капиллярная, гравитационная и вода в твердом состоянии.

Капиллярная вода занимает капиллярные поры, стыки и тонкие трещины в горных породах и удерживается силами поверхностного натяжения. В зависимости от связи капиллярных вод с гравитационными выделяют: подвешенные и капиллярной каймы.

Подвешенные – удерживаются силами поверхностного натяжения и не имеют связи с уровнем грунтовых вод зоны насыщения. Образуются при фациально-изменчивом строении зоны аэрации.

Воды капиллярной каймы (капиллярно-подтянутые) образуются в области непосредственной связи с грунтовыми водами зоны насыщения за счет капиллярного поднятия подземных вод.

Схема грунтовых вод и верховодки: I- зона аэрации; II- зона насыщения;

1- почвенные и капиллярно-подвешенные воды, 2- песчаные водопроницаемые породы, 3- водонепроницаемые породы, 4- грунтовые воды, 5- уровень грунтовых вод, 6- направление движения грунтовых вод, 7- капиллярно-поднятая вода, 8- нисходящий источник, 9- уровень верховодки, 10- направление инфильтрующихся вод

Гравитационная вода распространена в пределах водоносных горизонтов, зон и комплексов, т.е. в породах, обладающих сверхкапиллярной проницаемостью. Она легко подвижна и подчиняется в основном силе тяжести.

Гравитационная вода стекает из породы, может откачиваться из нее. Скорость ее передвижения зависит от проницаемости пород и напора, который испытывает эта вода. Она обладает всеми свойствами капельножидкой воды, имеет различную минерализацию, химический состав и физические свойства

Подземные воды типа "верховодка" и грунтовые воды.

Пустоты почвы и горных пород выше уровня грунтовых вод содержат воздух, водяной пар, гигроскопичную, пленочную и капиллярную влагу.

"Верховодка"

"Верховодка" образуется в зоне аэрации, где инфильтрационная вода встречает водоупор среди водопроницаемых пород. Водоупорным ложем могут быть линзы глин или суглинков в толще песков, участки коры выветривания на скальных породах, мерзлые толщи.

"Верховодка" отличается сезонным характером и локальным невыдержанным по площади развитием. С грунтовыми или речными водами она обычно не имеет гидравлической связи. Мощность верховодки чаще всего равна 0,4 – 1,0 м, редко 2 – 5 м.

На формирование "верховодки" сильно влияет характер рельефа. Наилучшие условия для верховодки создаются на плоских водоразделах и в степных пространствах с местными понижениями, куда стекает дождевая влага, и задерживаются талые воды.

Режим "верховодки" зависит от климатических условий. Эти воды легко загрязняются. В естественных условиях верховодки различны. В районах избыточного увлажнения она слабо минерализована, характеризуется относительно высоким содержанием органических веществ. При аридном климате образуются соленые воды и рассолы.

Грунтовые воды.

Под грунтовыми водами понимают свободные (гравитационные) воды первого от поверхности Земли, изменяющегося во времени, но постоянно существующего водоносного горизонта, заключенного в рыхлых отложениях или в верхней трещиноватой части коренных пород и залегающего на первом от поверхности выдержанном водоупоре.

Сверху грунтовые воды не перекрываются водонепроницаемыми породами и поэтому тесно связаны с атмосферой через зону аэрации. Поверхность грунтовых вод свободна. При вскрытии грунтовых вод буровой скважиной или колодцем их уровень устанавливается на той же глубине, где они были встречены. Поверхность грунтовых вод называется зеркалом грунтовых вод (на разрезе – уровень грунтовых вод).

Грунтовые воды движутся в сторону ближайшего понижения, образуя грунтовый поток. Участки с горизонтальной поверхностью носят названия бассейнов грунтовых вод.

Схема залегания и движения грунтовых вод в междуречном массиве и их режим:

1-песок, 2-суглинок, 3-минимальный уровень грунтовых вод, 4- максимальный уровень грунтовых вод

Бассейн грунтовых вод образует в понижениях водоупорного основания, когда инфильтрующиеся осадки не в состоянии переполнить этот бассейн.

В природных условиях часто встречается сочетание потоков и бассейнов грунтовых вод.

Грунтовые воды легко доступны для использования. Мощность водоносного горизонта определяется расстоянием по вертикали от зеркала грунтовых вод до кровли подстилающего водоупорного пласта.

Сравнительно неглубокое залегание грунтовых вод на первом от поверхности водоупорном пласте, связь с поверхностными метеорными водами определяют следующие особенности:

1. Грунтовые воды безнапорные, имеют свободную поверхность с давлением на ней, равным атмосферному и передвигаются под действием силы тяжести в направлении уклона их зеркала.

2. Питание осуществляется преимущественно за счет инфильтрации атмосферных осадков и конденсации влаги в зоне аэрации, область питания совпадает с областью распространения.

3. Разгрузка происходит у основания склонов или в поверхностные водоемы и водотоки, с которыми грунтовые воды имеют гидравлическую связь.

4. В зависимости от климата и времени года уровень, расход, температура и другие параметры водоносного горизонта подвержены сильным колебаниям.

5. Неглубокое залегание и интенсивный подземный сток способствуют формированию преимущественно пресных грунтовых вод, но при недостаточном увлажнении территории они становятся минерализованными.

Характер залегания грунтовых вод зависит от условий питания, водопроницаемости пород, конфигурации берегов водоемов и водотоков, с которыми грунтовые воды имеют гидравлическую связь, от положения водоупорного пласта. Поверхность грунтовых вод отражается на карте гидроизогипс.

Гидроизогипсами называют линии, которые соединяют точки с одинаковыми отметками уровня грунтовых вод. Карты гидроизогипс строятся по данным одновременных замеров уровня грунтовых вод в скважинах, колодцах, шурфах. Кроме этого, используются сведения о положении источников, болот, возникших в результате выхода грунтовых вод на поверхность, об уровнях рек, озер и других водоемов и водотоках, с которыми грунтовые воды имеют связь

.

По карте гидроизогипс можно определить направление движения и величину уклона грунтового потока, глубину и характер залегания уровня грунтовых вод и его соотношение с рельефом поверхности. При наличии стратоизогипс поверхности водоупорного ложа можно определить мощность водоносного горизонта на любом участке. Важно отметить, что существует четкая зависимость уклона зеркала грунтовых вод от водопроницаемости отложений и мощности водоносного горизонта.

Изменение положения уровня грунтовых вод при изменении фильтрационных свойств пород (а) и схема гидроизогипс (б):

1. Уровень подземных вод, 2- водопроницаемая порода, 3- галечники, 4- водонепроницаемая порода, 5- направление движения подземных вод

Глубина уровня грунтовых вод часто зависит от рельефа местности. Поверхность уровня грунтовых вод преимущественно неровная и в сглаженном виде повторяет рельеф. В речных долинных балках, оврагах и других понижениях рельефа грунтовые воды находятся на сравнительно небольшой глубине, но на водоразделах глубина залегания может достигать несколько десятков метров.

Между грунтовыми и речными водами существует гидравлическая связь.

Соотношение между грунтовыми и речными водами.

Рис___. Различные случаи соотношения речных и грунтовых вод: А - уровень грунтового потока наклонен к реке (обратное соотношение в период половодья); Б - уровень грунтовых вод наклонен от реки (питание происходит за счет инфильтрации речных вод);

Во время половодий и паводков при высоком стоянии уровня воды в реке происходит поднятие уровня грунтовых вод в прибрежной полосе на расстояние нескольких сотен метров. При спаде уровня воды в реке – соответственно снижается уровень грунтовых вод.

При гидротехническом строительстве в результате подпора грунтовых вод повышение уровня их распределяется на значительное расстояние.

Режим грунтовых вод, т.е. процесс изменения их количества и качества во времени крайне непостоянен и зависит от воздействия природных или искусственных факторов.

Условия питания и разгрузки грунтовых вод.

Основным видом питания грунтовых вод является инфильтрация атмосферных осадков. Величина инфильтрации зависит от характера и интенсивности выпадения осадков, а также от водопроницаемости почвы и пород зоны аэрации.

Передвижение инфильтрующихся с поверхности осадков происходит до тех пор, пока они не достигнут горизонта грунтовых вод. Грунтовый поток движется в сторону ближайших речных долин, балок, оврагов. В горных районах кроме дождя и снега источником питания грунтовых вод могут быть роса, иней и другие виды осадков.

Повышение уровня грунтовых вод под влиянием выпадения атмосферных осадков и увеличение дебита нисходящих источников, питающихся грунтовыми водами, зависит от количества выпавших осадков и местных условий (водопроницаемости пород, глубины залегания от поверхности земли и т. д.) и наступают через некоторое время после выпадения осадков.

В пустынных районах грунтовые воды могут получать конденсационное питание. Местами грунтовые воды получают питание за счет подтока напорных вод нижележащих горизонтов.

Разгрузка (дренирование) горизонта грунтовых вод происходит в виде родников, пластовых высачиваний и других водопроявлений на поверхности земли. Источники обычно выходят на поверхность на участках вскрытия водоносного горизонта эрозионной сетью. На некоторых участках наблюдаются выходы источников из аллювиальных отложений вследствие, уменьшения поперечного сечения потока или изменения состава аллювиальных отложений.

Схематический гидрогеологический разрез части речной долины :)

1- песок, 2- песок водоносный, 3- супеси, 4- глины, 5- известняки трещиноватые, 6- уровень верховодки, 7- уровень грунтовых вод, 8- уровень межпластовых ненапорных вод, 9- уровень артезианских вод, 10- источники нисходящие, 11- направление движения безнапорных вод, 12- разгрузка артезианских вод, 13- восходящий источник

Гидрогеологическими исследованиями установлено, что в равнинных областях встречаются преимущественно источники нисходящего типа, а в горных - восходящего и нисходящего типа.

Дебит источников грунтовых вод различный, но преобладает до 1л/с. Дебит сильно меняется во времени. Наибольший показатель дебита для трещиноватых и особенно закарстованных пород, он нередко составляет несколько сотен литров и даже несколько десятков кубометров в секунду.

Артезианские воды

Артезианскими считаются подземные воды, находящиеся в водоносных горизонтах (комплексах), перекрытых и подстилаемых водоупорными или относительно водоупорными пластами, и обладающие гидростатическим напором, который обуславливает подъем уровня воды над кровлей при вскрытии скважинами или другого вида выработками. При благоприятных геолого-структурных и гидрогеологических условиях скважины дают фонтанирующую воду.

Для артезианских вод характерны следующие особенности:

1. Это межпластовые напорные воды, изолированные сверху и снизу водоупорами;

2. Область питания и создания напора и область распределения не совпадают и часто удалены одна от другой на большие расстояния;

3. При вскрытии артезианского водоносного горизонта появление воды в скважине всегда отмечается глубже по сравнению с установившимся уровнем;

4. Режим в незначительной степени подвержен влиянию поверхностных факторов;

5. В верхней части разреза артезианские воды пресные, с глубиной их минерализация возрастает и они становятся солеными или даже рассолами.

Совокупность артезианских водоносных горизонтов или комплексов, залегающих в синклинальных структурах, образуют артезианский бассейн. В каждом артезианском бассейне принято выделять три области:

1. Область современного питания и создания напора;

2. Область разгрузки;

3. Область распространения напора.

Схема артезианского бассейна при мульдообразном залегании пород:

а - область питания; б - область напора; в - область разгрузки; H₁, H₂- величина напора; 1-водоносный горизонт, 2- водоупорные породы, 3- пьезометрический уровень напорных вод

Область современного питания и создания напора – площади выхода на дневную поверхность водоносных пород, слагающих артезианский бассейн. Выделяют внешнюю и внутреннюю области питания.

Тип артезианского бассейна с внешним (I) и внутренним (II) водоносными горизонтами:

1- водоносные породы, 2- водоупорные породы, 3- пьезометрический уровень

К внешней области питания относятся прилегающие к артезианскому бассейну части площадей горно-складчатых сооружений или поднятий, с которых стекают атмосферные воды и по достижению водоносных пород частично ими поглощаются. Например, для Минусинского межгорного прогиба внешней областью питания являются отроги Кузнецкого Алатау и Восточного и Западного Саян.

Внутренней областью питания являются площади, расположенные в пределах самого артезианского бассейна, где осуществляется инфильтрация атмосферных осадков.

Внутренние области питания связаны преимущественно с поднятиями и антиклинальными структурами в предгорных районах и межгорных впадинах, в пределах которых артезианские водоносные горизонты выходят на поверхность или залегают неглубоко, под более молодыми рыхлыми отложениями.

Область разгрузки – участки выхода водоносных горизонтов и комплексов на поверхность на более низких абсолютных отметках по сравнению с областью питания. Область разгрузки представляет собой совокупность открытых (восходящие родники) и скрытых очагов в рыхлые четвертичные отложения, русла рек, на дне морей.

Область распространения напора – основная площадь развития артезианских бассейнов, для водоносных горизонтов которой характерны пьезометрические уровни подземных вод. Уровень напорных вод называется пьезометрическим. Пьезометрический уровень всегда располагается выше кровли водоносного горизонта. Он является реальными только в скважинах, вскрывших водоносный горизонт. На участках отсутствия скважин пьезометрический уровень устанавливается методом интерполяции, где он отражает только те отметки, до которых поднимается вода при вскрытии водоносного горизонта скважинами.

Характер пьезометрической поверхности на картах изображается в виде гидроизопьез (пьезоизогипс) - линий, соединяющих точки с одинаковыми абсолютными отметками пьезометрического уровня.

Для построения карты гидроизопьез необходимо знать глубину установившегося пьезометрического уровня, а также абсолютные отметки устьев скважин и колодцев, необходимо знать высотные отметки выходов на поверхность восходящих источников данного водоносного горизонта.

При построении карты пьезоизогипс допускается пользоваться разновременными замерами установившегося пьезометрического уровня. В связи с тем, что артезианские воды не имеют прямой гидравлической связи с реками, интерполяцию можно проводить между точками, расположенными по разную сторону речных долин.

Карты гидроизопьез обязательно сопровождаются гидрогеологическими разрезами. На таких разрезах показывают стратиграфические границы, литологические особенности пород в виде колонок у стволов скважин, водоупорные толщи, напоры и абсолютные отметки пьезометрических уровней, водопроницаемость пород. По карте гидроизопьез можно определить области питания (по максимальным отметкам) и области разгрузки (по минимальным отметкам), направление движения артезианского потока, пьезометрический уклон, глубину установившегося уровня. По сгущению и разрежению гидроизопьез можно вынести суждение об изменении мощности водоносного горизонта или водопроницаемости пород. Сгущение гидроизопьез обычно свидетельствует об уменьшении мощности и ширины потока или же об уменьшении водопроницаемости пород. При наличии на карте гидроизопьез отметок кровли водоносного горизонта в любой точки можно определить величину напора над кровлей горизонта.

В зависимости от рельефа местности пьезометрический уровень может располагаться выше или ниже поверхности земли. При наличии карты гидроизопьез, совмещенной с горизонталями рельефа, можно выделить участки с само изливающимися артезианскими водами, т. е. площади на которых абсолютные отметки пьезометрических уровней будут выше гипсометрических отметок поверхности земли.

Процесс изменения ресурсов артезианских вод, их физических свойств, и химического состава под влиянием естественных и искусственных факторов, т.е. их режим, изучен слабо.