6.3.4. Артезианские и глубинные воды

Артезианские воды – это напорные подземные воды, залегающие в водоносных горизонтах между водоупорными пластами (рис. 11).

Артезианские воды залегают глубже горизонта грунтовых вод и имеют более стабильный режим. Области питания и распростра­нения артезианских вод обычно не совпадают.

При вскрытии артезианского водоносного горизонта скважиной находящаяся под напором вода поднимается по скважине и может даже излиться на земную поверхность (в случае, если линия напора лежит выше уровня земли) (рис. 11). Напор в артезианских водах создается в основном гидростатическим давлением, а также геостатической нагрузкой (весом вышезалегающих пород).

Рис. 5.3. Схема размещения артезианских вод:

1— водоупорный пласт; 2— артезианский водонос­ный горизонт; 3— линия напора (пьезометриче­ская линия); 4— скважины; H— высота подъема артезианских вод через скважины

Артезианские воды нередко имеют повышенную минерализа­цию. Обычно они менее подвержены загрязнению в сравнении с грунтовыми водами.

Артезианскими бассейнами называют такие гидрогеологические структуры синклинального типа, которые содержат один или несколь­ко водоносных горизонтов с напорными водами. Примером артезиан­ских бассейнов могут служить Московский, Терско-Кумский и др.

Глубинные воды – это расположенные на больших глубинах на­порные подземные воды, испытывающие воздействие геостатиче­ского давления и эндогенных сил.

Глубинные воды обнаружены в глубоких зонах тектонических нарушений и в глубоких частях осадочных толщ в артезианских бассейнах. Изучены они еще недостаточно.

6.4. Движение подземных вод

Под влиянием капиллярных сил, силы тяжести и градиентов гидростатического давления подземные воды приходят в движение. Движение подземных вод в зонах аэрации и насыщения существен­но различается.

В зоне аэрации происходит проникновение атмосферных осад­ков и поверхностных вод в грунт, называемое просачиванием (ин­фильтрацией). Различают свободное просачивание и нормальную ин­фильтрацию. В первом случае движение воды в грунте вертикально вниз происходит под действием силы тяжести и капиллярных сил в виде изолированных струек по капиллярным порам и отдельным канальцам; при этом пористое пространство грунта остается не насыщенным водой и в нем сохраняется движение атмосферного воздуха, что исключает влияние гидростатического давления на дви­жение воды. Во втором случае движение воды происходит сплошным потоком под действием силы тяжести, градиентов гидростатического давления и капиллярных сил; поры заполнены водой полностью.

Инфильтрационная вода может либо достичь уровня грунтовых вод и вызвать его повышение, либо остаться в зоне аэрации в виде капиллярно-подвешенной воды.

В зоне насыщения под действием силы тяжести и гидроста­тического давления свободная (гравитационная) вода по порам и трещинам грунта перемещается в сторону уклона поверхности водоносного горизонта (уровня грунтовых вод) или в сторону умень­шения напора. Это движение называется фильтрацией.

Движение свободной (гравитационной) воды как при нормаль­ной инфильтрации в зоне аэрации, так и при фильтрации в зоне насыщения имеет в мелкопористых грунтах ламинарный режим и подчиняется зависимости типа формулы Пуазейля, которую применительно к движению подземных вод записывают в виде закона фильтрации Дарси:

ν_ф=К_фI, (29)

где ν_ф – скорость фильтрации; К_ф – коэффициент фильтрации; I – гидравлический уклон, равный либо уклону поверхности уровня грунтовых безнапорных вод (этот уклон пропорционален продоль­ной составляющей силы тяжести), либо градиенту пьезометриче­ского напора (пропорционального градиенту гидростатического дав­ления) у напорных артезианских вод.

Скорость фильтрации (ν_ф, м/сут, мм/мин или см/с) – это отно­шение расхода фильтрационного потока Q_ф к площади поперечного сечения в пористой среде ω_п:

ν_ф= Q_ф/ω_п (30)

Поскольку в пористой среде площадь поперечного сечения больше суммарной площади пор, скорость фильтрации всегда меньше действительной скорости движения воды v в порах грунта. Чем больше пористость, тем меньше различие в ν и ν_ф:

v= ν_ф/p', (31)

где р' – коэффициент пористости, выраженный в долях единицы (р' = р/100).

Коэффициент фильтрации характеризует водопроницаемость грунтов. Он зависит от количества и размера пор и от свойств филь-трующейся жидкости. Коэффициент фильтрации, как это следует из формулы Дарси (29), численно равен скорости фильтрации при гидравлическом уклоне, равном 1.

Коэффициент фильтрации выражают в единицах скорости: м/сут, м/ч, м/с, см/с, мм/мин и т.д. Это – очень важная характеристика, используемая при изучении движения подземных вод. Коэффи­циент фильтрации отражает водопроницаемые свойства грунта.

Как следует из формулы Дарси (29), для определения скорости фильтрации в зоне насыщения необходимо знать величину гидрав­лического уклона. Для безнапорных грунтовых вод уклон опреде­ляют через величину падения уровня грунтовых вод АН на рассто­янии L: ΔH/L = (Н₁ - Н₂)/L. При этом расстояние L определяется не по горизонтали, а вдоль поверхности (зеркала) грунтовых вод (рис. 11).

Рис. 11. Схема движения подземных вод в зоне насыщения:

а — безнапорные грунтовые воды, (б — напорные артезианские воды; 1 — во­доупорный пдаст; 2— уровень грунтовых вод (кривая депрессии), 3 —линия пьезометрического напора (пьезометрическая); 4 — направление движения под­земных вод

Тогда формула Дарси приобретает вид

ν_ф=К_фΔH/L. (32)

Расход фильтрационного потока грунтовых вод определяют по формуле ν_ф= Q_ф/ω_п (см. уравнение (30)) при известной скорости фильтрации у_ф и площади поперечного сечения слоя ω_п.

Свободную поверхность потока грунтовых вод называют кривой депрессии (рис. 11, а).

Скорость фильтрации напорных артезианских вод определяют также по формуле (32) с той лишь разницей, что величина ΔН в этом случае – не падение уровня, а величина изменения пьезо­метрического напора. Кривую пьезометрического напора называют пьезометрической кривой (рис. 11, б).