книги из ГПНТБ / Климентов П.П. Динамика подземных вод учеб. для геологоразведоч. техникумов

расчетной схеме, учитываются начальные условия, в качестве кото­ рых принимается распределение напора подземных вод в области фильтрации до начала работы проектируемых инженерных соору­ жений.

Из особенностей инженерных сооружений, которые учитываются в гидрогеологических расчетах, можно назвать схему их размеще­ ния в плане и относительно всех ближайших границ потока, ре­ жим и особенности их работы, степень их гидравлического несовер­ шенства и другие показатели (см. подробно в гл. VII—X, XII, XIII).

ОБЩАЯ ГИДРОДИНАМИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ОСНОВНЫХ ТИПОВ АРТЕЗИАНСКИХ И ГРУНТОВЫХ ПОТОКОВ ПОДЗЕМНЫХ в о д

Подземные потоки имеют чрезвычайно широкое распро­ странение в самых разнообразных природных условиях, образуя месторождения подземных вод в различных геоструктурных эле­ ментах земной коры. Наиболее широкое распространение и большое практическое значение имеют следующие типы месторождений под­ земных вод, различающиеся по геоструктурным и гидродинамичес­ ким особенностям [24, 28, 30, 67, 88, 89]:

1) подземные воды артезианских бассейнов платформенного типа;

2) подземные воды артезианских бассейнов горноскладчатых областей;

3)подземные воды аллювиальных отложений речных долин;

4)подземные воды пролювиальных и аллювиальных отложений конусов выноса и предгорных равнин;

5)подземные воды ледниковых отложений;

6) подземные воды массивов трещиноватых и закарстованных пород;

7) подземные воды зон тектонических нарушений.

Подземные воды артезианских бассейнов платформенного типа. Артезианские бассейны платформенного типа имеют значительную площадь распространения (до сотен тысяч квадратных километров) и являются мощными резервуарами подземных вод. Крупными ар­ тезианскими бассейнами в СССР являются Западно-Сибирский, Подмосковный, Днепровско-Донецкий и др.

Характерными особенностями артезианских бассейнов являют­ ся: широкое региональное распространение зтажно расположенных напорных водоносных горизонтов, разделенных толщами слабопро­ ницаемых отложений; значительная мощность водоносных гори­ зонтов и большая глубина их залегания (мощность — десятки мет­ ров, глубина залегания -— сотни и даже тысячи метров) ; большие величины напоров над водоупорной кровлей (десятки и сотни мет­ ров) и их увеличение от краевых частей к центру; распространение в нижних горизонтах вод высокой минерализации; развитие упру­ говодонапорного режима фильтрации при эксплуатации подземных вод.

На динамику подземных вод артезианских бассейнов большое влияние оказывают не только их питание и разгрузка в области выхода водоносных отложений на поверхность (в краевых частях), но и процессы перетекания воды через слабопроницаемые, разде­ ляющие водоносные горизонты отложения и так называемые «фа­ циальные окна», а также дренирующая роль крупных водотоков и водоемов. В связи с этим при схематизации гидрогеологических ус­ ловий для целей расчетов могут рассматриваться схемы напорных потоков как при отсутствии перетекания (изолированные водонос­ ные пласты), так и с учетом перетекания через слабопроницаемые породы кровли и подошвы водоносных горизонтов.

В зависимости от расположения водозаборных и других инже­ нерных сооружений по отношению к границам артезианских бассей­ нов наибольшее распространение имеют схемы неограниченного и полуограниченного пластов. Схема неограниченного пласта отвеча­ ет условиям расположения инженерных сооружений примерно в центральных частях артезианских бассейнов при отсутствии влия­ ния дренирующих и питающих водотоков и границ выклинивания пласта. Схема полуограниченного пласта отвечает расположению инженерных сооружений на сравнительно небольшом удалении от границ артезианского бассейна (проницаемых или непроницаемых), контуров выклинивания или фациального замещения водоносного пласта или вблизи крупных дренирующих поверхностных водото­ ков (границы постоянного напора).

Подземные воды артезианских бассейнов горноскладчатых об­ ластей. В горноскладчатых областях имеют распространение раз­ личные типы обычно некрупных по площади артезианских бассей­ нов, находящихся в синклинальных складках, мульдах, межгорных депрессиях и других геоструктурных элементах. Из них наиболее характерны артезианские бассейны межгорных долин и артезиан­ ские бассейны мелких складчатых структур. Н. И. Плотников [88], давая классификацию месторождений подземных вод геосинклинальных областей для целей водоснабжения, выделяет открытые бассейны, гидравлически связанные с окружающими водовмещаю­ щими геологическими структурами и имеющие хорошие условия водообмена с поверхностью, и замкнутые, почти изолированные бас­ сейны, имеющие затрудненный сток и условия питания.

Артезианские бассейны межгорных долин (например, Ферган­ ский, Ташкентский, Алазанский, Араратский и др.) относятся к открытым бассейнам (рис. 43). Для них характерно: наличие четко выраженных областей питания и разгрузки, интенсивный водообмен и хорошая промытость, расположение областей питания на значи­ тельных отметках и большие величины избыточных напоров (как правило, выше поверхности земли), движение подземных вод от горных обрамлений к центру бассейна и от нижних горизонтов к верхним (в связи с чем отмечается обращенная гидрогеохимическая зональность и даже заболачивание поверхности).

Артезианские бассейны мелких складчатых структур (например, в Центральном Казахстане, в Кызылкумах, на Урале и в других

районах) относятся к закрытым бассейнам (рис. 44). Для них ха рактерно отсутствие интенсивного водообмена и тесной гидравли ческой связи с сопряженными горными структурами и с поверхно

Рис. 43. Схема открытого артезианского бас­ сейна межгорной котловины (стрелками пока­ зано поступление и движение воды):

6 — фонтанирующая скважина

стью, слабая расчлененность поверхности гидрографической сетью, незначительные величины напоров, напорных градиентов, скоростей и расходов потока в естественных условиях, повышенная минерали­

(бассейна) соизмеримы, используется схема «пласт-круг». В слу­ чае значительного превышения длины бассейна над шириной об­ ласть фильтрации приводится к схеме «пласт-полоса». При наличии дренирующих водотоков и других видов границ возможно исполь­ зование других расчетных схем ограниченных потоков. В закрытых бассейнах границы схематизируются, как непроницаемые, в откры­ тых— как проницаемые с соответствующими граничными условия­ ми.

Подземные воды аллювиальных отложений речных долин. Под­ земные воды этого типа имеют чрезвычайно широкое распростране­ ние и являются одним из основных источников водоснабжения.

Водовмещающими породами для них служат рыхлообломочные песчаные, песчано-гравелистые и гравийно-галечниковые отложения, нередко перекрытые глинами и суглинками. Часто характерно двух­ слойное строение водоносной толщи с хорошо проницаемым нижним пластом. Области распространения потоков в долинах рек харак­ теризуются большой длиной и незначительной шириной. Потоки подземных вод речных долин, как правило, имеют безнапорный ха­ рактер, неглубокое залегание зеркала (максимум до 10—20 м) и незначительную мощность (обычно до 20—25 м, но в переуглубленных древних долинах иногда до сотен метров). Для них характер­ на изменчивость режима и его тесная связь с режимом поверхност­ ных водотоков и климатическими условиями. На отдельных площа­ дях связь подземных вод с речными может быть затрудненной вследствие заиленности русла. В узких речных долинах (в горных областях) подземные потоки имеют значительные уклоны и про­ дольное направление движения. В широких долинах рек (в равнин­ ных областях) потоки подземных вод направлены под некоторым углом и отличаются малыми гидравлическими уклонами.

Важным обстоятельством при количественной оценке условий фильтрации в речных долинах является определение степени актив­ ности гидравлической связи подземных вод с поверхностными.

При наличии постоянной гидравлической связи речных и под­ земных вод гидрогеологические условия речных долин схематизи­ руются и обычно приводятся к схеме пласта-полосы с прямолиней­ ными границами. В качестве одной из границ принимается река, как контур постоянного или переменного напора, в качестве другой — граница причленения аллювиальных отложений к дочетвертичным породам речной долины. Граничное условие на второй границе за­ висит от ее характера (см. рис. 34, 35, 41, 45). Если дочетвертичные породы обладают слабой по сравнению с аллювием водопроводи­ мостью, то граница считается непроницаемой с выполнением гра­ ничного условия второго рода Q= const = 0 (при необходимости ве­ личина расхода учитывается). Если же водопроводимость дочетвертичных отложений близка к водопроводимости аллювия, то граница причленения аллювиальных отложений к коренным может вообще не учитываться как граница потока и он будет рассматриваться как полуограниченный. Такая же схема соответствует и условиям фильтрации в широких речных долинах вследствие значительной удаленности бортов долины от речного русла. При водопроводимо­ сти дочетвертичных отложений, значительно превышающей водо­ проводимость аллювия (например, борта сложены сильно трещи­ новатыми и закарстованными известняками), граница их сочлене­ ния может быть схематизирована как контур постоянного напора (Я = const). Аналогичное граничное условие может быть принято для участков сочленения аллювиальных и дочетвертичных пород, если имеется староречье, болото или озеро.

При отсутствии постоянной гидравлической связи речных и под­ земных вод гидрогеологические условия речных долин схематизи­ руются в виде пласта-полосы с проницаемыми или непроницаемыми

ПОДЗЕМНЫЕ ВОДЫ ПРОЛЮВИАЛЬНЫХ И АЛЛЮВИАЛЬНЫХ ОТЛОЖЕНИЙ КОНУСОВ ВЫНОСА И ПРЕДГОРНЫХ РАВНИН

Подземные воды в отмеченных типах отложений имеют широкое распространение в предгорьях Крымских гор, Кавказа, а также Копет-Дага, Памира, Алтая и других гор Средней Азии. Во­ довмещающими породами здесь являются мощные толщи рыхлооб­ ломочных образований, представляющие собой продукт деятельнос­ ти постоянных и временных поверхностных водотоков, стекающих с гор. Для них характерно закономерное изменение состава обло­ мочного материала от грубообломочных фракций до мелкозерни­ стых и суглинистых в направлении от области сноса (горные масси­ вы) к центрам предгорных наклонных равнин и слоистое строение отложений в разрезе.

Неоднородность состава отложений конусов выноса как в гори­ зонтальном, так и в вертикальном направлениях, предопределяет существование своеобразной гидродинамической зональности, про­ являющейся в изменении условий питания, распространения и раз­ грузки подземных вод в направлении от гор к равнине (рис. 46).

В головной части конуса выноса, примыкающей к краевой части горного сооружения, где развиты преимущественно галечники и да­ же валунники, происходит интенсивное питание подземных вод за счет инфильтрации вод речной сети и атмосферных осадков, а так­ же притока подземных вод из дочетвертичных отложений. Подзем­ ные воды на этой площади имеют безнапорный характер и харак­ теризуются большой глубиной залегания (от 20 до 100 м и более).

В средней части конуса выноса вследствие веерного характера замещения галечниковых и песчаных отложений суглинками и пес­ чаными глинами, происходит расчленение единого потока подзем-

ных вод на несколько зтажно расположенных водоносных горизон­ тов, которые приобретают местный напорный характер по мере их погружения при выходе в долину. Вследствие уменьшения общего сечения потока и постепенного изменения гранулометрического со­ става его отдельных горизонтов, приток воды из галечниковой зоны на данной площади уже не обеспечивается оттоком через напорные горизонты, что приводит к существенному возрастанию их пьезо­ метрических уровней и частичной их разгрузке в виде восходящих

Рис. 46. Схема потока подземных вод конуса выноса:

1 — коренные трещиноватые породы, 2 — песчано-галечнико­ вые водоносные отложения, 3 — суглинки, глины, 4 — источ­ ник, 5 — направление движения воды, 6 — фонтанирующая скважина

источников. Разгрузка напорных горизонтов в виде источников и через слабопроницаемые покровные отложения в свою очередь при­ водит к повышению зеркала грунтовых вод и частичному их засо­ лению вследствие интенсивного испарения (при неглубоком зале­ гании от поверхности). Охарактеризованная часть конуса выноса называется зоной погружения и частичной разгрузки напорных вод.

Периферийная часть конуса выноса характеризуется дальней­ шим погружением напорных водоносных горизонтов и неглубоким залеганием грунтовых вод ( 1—2 ж).

В периферийных частях нередко происходит слияние смежных конусов выноса, в результате чего образуются предгорные наклон­ ные равнины, которым в общем случае свойственны гидрогеологи­ ческие условия нижних частей конусов выноса. Значительная слож­ ность гидрогеологических условий здесь обусловлена резкими изме­ нениями литологических особенностей пород, так как на площади каждого конуса выноса отмечается снижение фильтрационных свойств отложений не только от верхней его части к нижней, но и от осевых частей к периферии. Поэтому для подземных потоков предгорных долин характерна существенная неоднородность фильт­ рационных свойств (рис. 47).

При схематизации гидрогеологических условий конусов выноса и предгорных наклонных равнин целесообразно рассматривать от­ дельно нижнюю часть, в которой выделяются напорные водоносные

горизонты, изолированные от атмосферы, и верхнюю — безнапор­ ную или слабонапорную, в которой осуществляется активный во­ дообмен с атмосферой и временными поверхностными водотоками. В зависимости от поставленной задачи может быть рассмотрена схема в условиях гидравлической взаимосвязи всех или отдельных горизонтов напорного и безнапорного характера. Обычно при рас­ смотрении напорных водоносных горизонтов нижней части приме­ нима схема неограниченного или полуограниченного в плане плас­ та. Для безнапорных и слабонапорных горизонтов верхней части в условиях наличия многочисленных границ выклинивания потоков

более 'предпочтительна схема полуограниченного, а на от­ дельных площадях ограничен­ ного пласта.

Подземные воды леднико­ вых отложений. На значитель­ ной территории европейской части СССР распространены ледниковые отложения, пред­ ставленные валунными глина­ ми, суглинками и песчаными флювиогляциальными отложе­

ниями. Глины и суглинки являются водоупорами, водонасыщенны­ ми породами служат над-, меж- и подморенные песчаные образова­ ния. В меж- и подморенных песчаных толщах нередко заключены напорные воды.

На площади распространения флювиогляциальных и аллюви­ альных песчаных и песчано-галечниковых отложений формируются крупные запасы напорных и безнапорных подземных вод, водопроявление которых нередко отмечается выходом на поверхность вы­ сокодебитных источников.

Подземные воды, насыщающие толщи флювиогляциальных пес­ ков, обычно слабоминерализованы.

Запасы подземных вод ледниковых отложений пополняются как за счет инфильтрации атмосферных осадков, выпадающих непо­ средственно на площади их распространения, так и поверхностных вод, стекающих с прилегающих возвышенностей, сложенных слабо­ проницаемыми моренными глинами и суглинками.

В области распространения ледниковых отложений встречаются древние доледниковые долины, заполненные мощными толщами песчано-галечниковых и глинистых отложений. Такие долины встре­ чены в нескольких районах. Подземные воды доледниковых долин имеют гидравлическую связь как с водоносными горизонтами дочетвертичных отложений, так и с поверхностными водами. Благода­ ря такой связи в некоторых долинах заключены огромные запасы слабоминерализованных подземных вод [67].

Примером широкого развития ледниковых отложений является северо-запад территории СССР, где имеют развитие три морены и несколько горизонтов флювиогляциальных отложений, служащих

здесь на большой площади важнейшими источниками водоснаб­ жения.

При изучении и схематизации гидрогеологических условий лед­ никовых отложений необходимо учитывать их следующие основные особенности: наличие в разрезе нескольких гидравлически связан­ ных водоносных горизонтов, дренирующее влияние речных долин и гидравлическую связь с поверхностными водотоками и атмосферой, крайне изменчивый характер мощностей и литологических особен­ ностей водоносных горизонтов, напорный характер под- и межмо­ ренных потоков и, как правило, безнапорный — надморенных пото­ ков. Часто при количественной оценке гидрогеологические условия потоков ледниковых отложений могут быть приведены к схеме не­ ограниченного в плане пласта. При этом целесообразно проведение расчетов по формулам неустановившейся фильтрации. При наличии активной гидравлической связи подземных вод с рекой и близком ее расположении расчеты могут выполняться на основе схемы полуограниченного пласта по формулам установившейся фильтрации (при этом расстояние до реки должно быть не более половины ве­ личины приведенного радиуса влияния).

Подземные воды массивов трещиноватых и закарстованных по­ род. В горноскладчатых областях, а также в районах выхода на поверхность древних кристаллических массивов подземные воды обычно встречаются в верхней трещиноватой зоне скальных пород и имеют, как правило, безнапорный характер. Глубина зоны трещи­ новатости часто не превышает 30—50 м и реже она достигает 100— 120 м. Исключением являются подземные воды зон крупных текто­ нических нарушений, которые ниже рассмотрены отдельно.

Воды трещиноватых массивов движутся по сложной системе трещин коры выветривания, тектонических, литогенетических и дру­ гих, образуя, как правило, потоки вод, незначительные по своим запасам. Исключение составляют потоки подземных вод трещинно­ го типа в эффузивных и кристаллических породах в долинах рек, где отмечается наиболее интенсивная их водообильность [69].

Источниками питания подземных вод трещиноватых массивов являются в основном атмосферные осадки. На отдельных площа­ дях отмечается связь подземных вод трещиноватых массивов с глу­ бокими напорными водами по зонам тектонических нарушений и интенсивной трещиноватости.

Количественная оценка условий эксплуатации подземных вод трещиноватых массивов, ввиду чрезвычайной сложности их движе­ ния и фильтрационной неоднородности пород, осуществляется обычно по результатам проведения опытно-эксплуатационных ра­ бот и водно-балансовых расчетов.

В областях развития трещиноватых скальных пород, подвер­ женных выщелачиванию и растворению, формируются трещинно­ карстового типа подземные воды.

Среди трещиноватых пород наибольшее значение для формиро­ вания месторождений трещинно-карстового типа вод имеют карбо­ натные породы, благодаря их способности к выщелачиванию.

Степень, характер и глубина закарстованности и обводненности карбонатных пород зависят от условий их залегания. В связи с этим выделяются три характерных формации карбонатных пород: плат­ форменная, краевых прогибов и геосинклинальная [88].

Для платформенной формации, характеризуемой пологим зале­ ганием слабо дислоцированных пород при большом их распростра­ нении, отмечается наиболее интенсивное развитие трещиноватых и закарстованных пород в речных долинах и весьма слабая закарстованность на водораздельных площадях.

Для формации краевых прогибов характерна большая фильтра­ ционная неоднородность и очень сложная система развития трещин и карстовых пустот, что предопределяется развитием слоистых терригенных и неслоистых карбонатных рифовых пород.

Карбонатные породы геосинклинальных областей характеризу­ ются большой мощностью и сильной их дислоцированностью и трещиноватостью. Залегают они в виде вытянутых относительно узких полос, согласующихся с общей тектонической структурой горных сооружений (длина полос достигает сотен километров при ширине до 5 км). Эти сильно закарствованные и водообильные по­ лосы карбонатных пород залегают среди других слабо обводненных или водонепроницаемых пород. Наиболее интенсивное развитие карста отмечается здесь по линиям и зонам тектонических наруше­ ний и системам трещиноватости.

Общими чертами для всех областей развития карбонатных карстующихся пород являются: 1) интенсивное поглощение выпадаю­ щих атмосферных осадков и поверхностных вод; 2) повышенная водообильность закарствованных пород по сравнению с породами другого литологического облика, что предопределяет наличие мощ­ ных источников с дебитом иногда до нескольких кубометров в секунду; 3) формирование крупных естественных запасов подзем­ ных вод; 4) как правило, тесная связь режима трещинно-карстово­ го типа вод с климатическими условиями; 5) развитие в массивах карбонатных пород наряду с локальными формами карста (круп­ ные полости, каналы, галереи, колодцы, пещеры) региональных форм закарстованности с широким их развитием как в плане, так и в разрезе, что создает предпосылки формирования единых в гид­ равлическом отношении бассейнов трещинно-карстового типа вод; 6) существенная неоднородность фильтрационных свойств водоьмещающих пород как в плане, так и в разрезе, и сложный гидрав­ лический режим движения подземных вод, что чрезвычайно затруд­ няет количественную оценку условий фильтрации.

По гидрогеологическим условиям Н. И. Плотников [88] выделяет два вида бассейнов трещинно-карстовых вод: закрытые и откры­ тые.

К закрытым относятся ограниченные по площади бассейны трещинно-карстового типа воды, имеющие распространение среди слабоводопроницаемых вмещающих некарстующихся пород (рис. 48). Примером замкнутых бассейнов этого типа вод являются бассейны уральского типа, где водоносные закарствованные карбо­

натные породы палеозоя залегают в форме замкнутых, линейно вытянутых в плане синклинально подобных структур в толще зеле­ нокаменных пород. Особенно ценны такие бассейны при наличии на их площади постоянно действующей речной сети, что предопреде­ ляет восполнение запасов подземных вод при их эксплуатации.

условия.

Подземные воды в открытых бассейнах формируются в услови­ ях значительного площадного распространения карбонатных пород

Рис. 49. Схема открытого бассейна трещинно-карстового

типа:

и обеспечения глубинного регионального стока за счет их погруже­ ния в сторону сочлененных пологих структур (рис. 49). Основным источником питания подземных вод является инфильтрация атмос­ ферных осадков, а также поглощение вод речной сети. Напорные воды трещинно-карстового типа в таких условиях характеризуются значительными запасами подземных вод. Примерами бассейнов от­