Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Науки о Земле. Учебное пособие
.pdf
ных фондов; восстановление на новом месте сельскохозяйственных угодий вместо затопленных водохранилищем; рыбохозяйственное и транспортное освоение водоема; санитарную подготовку ложа водохранилища перед затоплением, мероприятия по охране окружающей среды и т.п.
Компенсационные капитальные вложения устанавливаются
специальным расчетом. При предварительных расчетах их принимают в размере 15 % общей стоимости горных водохранилищ
и 35 % стоимости предгорных и равнинных водохранилищ. Для
оценки экономической эффективности регулирования стока определяют также стоимость 1 м3 воды в полном объеме водохранилища
с1 = К/V
НПУ
,
стоимость 1 м3 воды полезного объема
с2 = К/V
ПЛЗ
,
себестоимость подаваемой потребителям воды из водохранилища
с = И/U,
где К - общие капитальные вложения на строительство водохранилища, руб.; И - ежегодные издержки, руб.; U - объем полезной
отдачи из водохранилища за год, м3.
Ежегодные издержки включают в себя отчисления на амортизацию (восстановление), капитальный ремонт, эксплутационные расходы (содержание штата, текущий ремонт, охрана, административно-хозяйственные расходы, противопаводочные работы, борьба с заилением, зарастанием водохранилищ, с ледовыми
явлениями и т.д.).
Ежегодные издержки устанавливаются на основе нормативных и сметно-финансовых расчетов.
191
Контрольные вопросы
1. Какие факторы определяют испарение с водной поверх-
ности, почвы и растительности?
2. Что такое половодье, паводок, межень, гидрограф стока?
3. Каков порядок образования и характеристики наносов?
4. Как вычисляется сток взвешенных наносов?
5. Какие основные характеристики речного стока вы знаете?
6. Какое уравнение используют при расчете водного балан-
са речного бассейна?
7. Что такое норма годового стока, и каково ее определение
при наличии, недостаточности и отсутствии данных наблюдений?
8. Что такое коэффициент изменчивости (вариации)? При-
ведите методы его определения при наличии, недостаточности и
отсутствии данных наблюдений.
9. Как определяется коэффициент асимметрии?
10. Как построить эмпирическую и аналитическую кривые
обеспеченности?
11. Что такое расчетный максимальный расход воды?
12. Что такое гарантийная поправка, каков порядок ее ис-
пользования?
13. Как определяются расчетные максимальные расходы ве-
сеннего половодья?
14. Какие бывают виды регулирования стока?
15. Какие основные составляющие объемы и нормативные
уровни водохранилища вы можете назвать?
16. Как строятся батиграфические кривые?
17. Какие вы знаете виды потерь воды из водохранилища?
18. Каков порядок определения объема и сроков заиления?
19. Что такое расчетная обеспеченность отдачи?
20. Каков порядок балансово-цифрового расчета водохра-
нилища?
21. Какие основные свойства полной интегральной кривой
вы знаете и как ее использют при расчетах регулирования стока?
22.
Как определяется полный объем водохранилища много-
летнего регулирования?
23. Каков порядок расчета трансформации паводков?
192
ГЛАВА 6. ОСНОВЫ ГИДРОГЕОЛОГИИ
Гидрогеология - наука, изучающая происхождение, процессы формирования, условия залегания, состав и свойства подземных вод, вопросы прогнозирования изменения количества и качества подземных вод. Также изучается взаимодействие подземных вод с горными породами, поверхностными водами и атмосферой.
В сферу этой науки входят такие вопросы, как динамика
подземных вод, гидрогеохимия, а также мелиоративная и региональная гидрогеология. Гидрогеология тесно связана с гидрологией и геологией, в том числе и с инженерной геологией, метеорологией, геохимией, геофизикой и другими науками о Земле.
Она опирается на данные математики, физики, химии и широко
использует их методы исследования.
Данные гидрогеологии используются, в частности, для решения вопросов водоснабжения, мелиорации и эксплуатации месторождений.
6.1. Характеристика подземных вод
6.1.1. Происхождение и классификация подземных вод
Изучение происхождения подземных вод имеет большое
научное и практическое значение.
Несмотря на большое число классификаций подземных вод,
предложенных разными авторами, до настоящего времени нет
единой общепринятой классификации. Это объясняется тем, что
подземные воды циркулируют в земной коре в самых различных
геологических условиях, их физические свойства и химический
состав чрезвычайно разнообразны. Постоянно передвигаясь, они
взаимодействуют с горными породами (растворяют их, выщелачивают, отлагают соли, цементируют их и т. д.) и в процессе этого взаимодействия изменяют химический состав и свойства.
Классификация видов воды в горных породах следующая:
1.
Вода в виде пара (парообразная вода).
193
2. Физически связанная вода (вода на поверхности частиц):
прочносвязанная или адсорбированная; рыхло- или слабосвязанная.
3. Свободная вода: капиллярная; гравитационная; просачивающаяся; вода грунтового потока – со свободной поверхностью;
вода грунтового потока – с напорной поверхностью.
4. Вода в твердом состоянии.
5. Вода в кристаллической решетке минералов (химически
связанная): конституционная; кристаллизационная; цеолитная.
В основу классификации подземных вод могут быть положены различные признаки: способ образования, условия залегания, гидравлические свойства, литологический состав водоносных пород, их возраст, физические свойства подземных вод, их
химический состав. Каждый из этих признаков имеет существенное значение при характеристике и оценке подземных вод, но ни
один из них, взятый в отдельности, не является достаточным для
общей классификации подземных вод.
По условиям образования подземные воды подразделяются
на различные группы. Наиболее важное значение имеют воды
инфильтрационные, затем седиментационные и, частично, конденсационные. Седиментационные воды образуются одновременно с накоплением осадков на дне морских и других бассейнов, заполняя поры в этих осадках.
По условиям залегания подземные воды делятся на следующие типы: грунтовые, образующие самую верхнюю гидрогеологическую зону в поверхностных слоях земли; поровые, пластовые – в водопроницаемых пластах, перекрываемых и подстилаемых водоупорными породами (порово-пластовые); трещинные
– в трещинах скальных горных пород независимо от генезиса
трещин; карстовые, находящиеся в пустотах и пещерах закарстованных пород (известняках, гипсах и т. п.), трещинно-жильные.
По гидравлическим свойствам подземные воды делятся на
безнапорные, или воды со свободной поверхностью, и напорные,
когда водоносный горизонт перекрыт сверху водоупорной породой и находящаяся в нем подземная вода испытывает гидростатическое давление, обусловливающее напор.
В зависимости от возраста водовмещающих пород подзем-
194
ным водам присваивается соответствующее наименование: воды
каменноугольных отложений, юрских, меловых, третичных и
других.
По степени минерализации, или по содержанию растворенных солей, подземные воды В.И. Вернадский подразделяет на
следующие виды: пресные (до 1 г/дм3), солоноватые, (1–10 г/дм3),
соленые (10–50 г/дм3), рассолы (свыше 50 г/дм3).
По температуре подземные воды разделяются на четыре категории: холодные – с температурой ниже 20 оС, теплые – с температурой от 20 до 37 оС, горячие воды – с температурой от 37 до
42 оС и очень горячие (термы) – с температурой выше 42 оС.
С практической точки зрения при характеристике и оценке
подземных вод существенное значение имеет не только общее
содержание растворенных солей, но и состав этих солей.
По преобладанию растворенных солей различаются воды:
по анионам – на гидрокарбонатные, сульфатные и хлоридные, а
по катионам – на кальциевые, магниевые и натриевые. Воды, в
которых нет преобладания того или иного аниона или катиона,
называются смешанными.
По величине рН подземные воды делятся на весьма кислые,
если рН < 5, кислые – при рН 5–7, нейтральные при рН 7, щелочные – при рН > 7–9 и высокощелочные – при рН > 9.
По степени общей жесткости природные воды делятся на
следующие группы: очень мягкие – до 1,5 мг/дм3; мягкие – в пределах 1,5–3,0 мг/дм3; умеренно жесткие – в пределах 3,6–6,0
мг/дм3; жесткие – в пределах 6,0–9,0 мг/дм3; очень жесткие – выше 9,0 мг/дм3.
Кроме солей, в подземных водах всегда содержатся различные газы: диоксид углерода (в виде диссоциированной угольной
кислоты), азот, сероводород и другие, часто имеющие большое
практическое значение. По преобладающим растворенным газам
воды делят на углекислые, сероводородные, радоновые и др. В
большинстве случаев подобные воды имеют лечебное значение
(углекислые воды кисловодского Нарзана, сероводородные воды
Мацесты, радоновые воды Цхалтубо и др.). Подземные воды, обладающие теми или иными лечебными свойствами, называются
минеральными; содержащие в растворенном виде какие-либо
195
элементы в количествах, возможных для его извлечения – промышленными. В зависимости от растворенного вещества им при-
сваиваются названия – иодные, бром-иодные, бромные и т. д. Нередко лечебные минеральные воды имеют и промышленное значение, а промышленные – лечебное.
6.1.2. Физические и органолептические свойства
подземных вод
При гидрогеологических исследованиях определяются
главные физические свойства подземных вод: температура, цвет,
прозрачность, вкус, запах, электропроводность и радиоактивность.
Температура подземных вод изменяется в широких пределах. В высокогорных районах и в области распространения
многолетней мерзлоты температура подземных вод низкая; в последнем случае высокоминерализованные воды местами имеют
даже отрицательную температуру (–5 оС и ниже). В районах молодой вулканической деятельности, а также в местах выходов
гейзеров (Камчатка, Исландия, Америка и др.) температура воды
иногда превышает 100 оС. Температура неглубоко залегающих
подземных под в средних широтах обычно изменяется в пределах
5–12 оС и обусловливается местными климатическими (в основ-
ном) и гидрогеологическими условиями. Температура воды на
значительных глубинах достигает 220–270 оС.
Цвет подземных вод зависит от имеющихся в них механических примесей. Желтоватый и буроватый цвет воде придают
органические примеси; соединения железа (II) и сероводород –
зеленовато-голубой. В большинстве подземные воды бесцветны.
Цвет воды определяют в стеклянном цилиндре высотой 30–40 см,
просматривая воду сверху и сравнивая с дистиллированной водой, налитой в такой же цилиндр.
Прозрачность подземных вод зависит от содержания механических примесей и органических веществ и определяется как и
цвет. Цилиндр ставят на специальный шрифт, после чего через
кран выпускают воду из цилиндра до тех пор, пока через оставшийся слой воды не станет ясно читаться шрифт. Высота остав-
196
шегося столба воды в сантиметрах и определяет степень прозрачности воды.
Вкус подземной воде придают растворенные минеральные вещества, газы и примеси: хлорид натрия – соленый вкус,
сульфаты магния – горький, соли железа – ржавый или чернильный, органические вещества – сладковатый, гидрокарбонаты
кальция и магния, а также свободная углекислота – приятный освежающий. Слабоминерализованные мягкие воды имеют неприятный вкус. Вкус определяется в воде, подогретой до 20–30 оС.
Запах в подземных водах обычно отсутствует. Однако иногда подземная вода имеет запах тухлых яиц (сероводород), болотный, гнилостный и др. Питьевая вода не должна иметь запаха.
Для точного определения запаха воду подогревают до температуры 50–60 оС.
Электропроводность в подземных водах возникает благодаря содержанию в воде растворенных веществ – катионов и анионов, называемых электролитами. Она находится в сложной зависимости от концентрации растворенных веществ, их валентности
и температуры. По значению электропроводности судят об общей
минерализации подземных вод; в пресных водах она колеблется в
пределах 33.10-5 – 1,3.10-3 ом.
Радиоактивность подземных вод обусловливается наличием
в них радиоактивных веществ (урана, радия, радона и др.), испускающих особого рода лучи, которые представляют собой поток
материальных частиц, ионизирующих воздух. На этом свойстве
основана возможность количественного определения радиоактивности подземных вод, так как степень ионизации воздуха соответствует степени радиоактивности воды. Радиоактивные воды
в зависимости от преобладания тех или иных радиоэлементов
подразделяются на радоновые, радиевые, или радионосные и радоно-радиевые. Радоновые и радоно-радиевые воды широко применяются для лечения (Пятигорск, Цхалтубо, Мироновка, Белокуриха и др.); радиевые воды с содержанием в растворе соединения радия в количестве выше 10–11 г/дм3 используют для промышленной добычи радия.
197
6.1.3 Химический состав подземных вод
Качественный состав и количественное содержание твердых растворенных веществ в подземных водах зависят от ряда
факторов и, в первую очередь, от распространенности того или
иного элемента в земной коре и растворимости его природных
соединений. Поскольку в природе нет абсолютно нерастворимых
веществ, то в природных водах имеются практически все элементы земной коры. Только малая распространенность и очень низкая растворимость некоторых из них не дает возможности улавливать их современными методами анализа. Свойства подземных
вод определяются количеством и соотношением содержащихся в
них в растворенном виде солей, присутствующих в воде в виде
ионов. Среди ионов наибольшее практическое значение имеют
следующие: катионы – Н+, К+, Na+, Mg2+, Са2+, Fe2+, Fe3+, Mn2+,
NH4+; анионы – ОН–, Cl–, S0
2–
4
, СО
2–
, HCO
3
–
3
, N0
–
, NО
2
–
. Из не-
3
диссоциированных соединений распространены SiO2, Fе2О3,
Аl2О3. В подземных водах чаще всего содержатся газы CO2, CH4,
О2, N2, H2S, иногда гелий, радон и др.
Активная реакция воды выражается величиной рН, которая
представляет собой десятичный логарифм концентрации ионов
водорода (точнее их активности), взятый с положительным знаком: рН=-lg(Н+). Знать эту величину необходимо для решения
целого ряда теоретических и практических вопросов (оценки агрессивности подземных вод, их коррозирующей способности и
др.). Значение величины рН дает возможность определить, какими ионами и в каком количественном соотношении в подземных
водах представлены угольная, фосфорная, сероводородная, кремневая и другие слабые кислоты, а значение соотношений этих
кислот позволяет технически грамотно решать вопросы об их
практическом использовании и выбирать более эффективные
способы обработки и умягчения природных вод.
Концентрация ионов водорода в воде зависит от химического состава и концентрации веществ, содержащихся в этой воде, от присутствия органических кислот, газов, микроорганизмов
и, главным образом, от соотношения различных форм углекислоты. При температуре 22 оС в чистой воде содержание водородных
и гидроксильных ионов равно (для каждого) 10-7; следовательно,
для нейтральных вод рН 7; при рН > 7 вода имеет щелочную реакцию, а при рН < 7 – кислую. Подземные воды в большинстве
случаев имеют слабощелочную реакцию.
198
Определение концентрации водородных ионов должно
производиться на месте взятия проб воды. Чаще всего используется колориметрический способ определения, основанный на
свойстве индикаторов менять свою окраску в зависимости от
концентрации водородных ионов.
Жесткость воды – особое ее качество, обусловленное присутствием ионов Ca2+ и Mg2+. Она имеет большое значение при
оценке практического использования. Жесткая вода плохо взмыливается, дает накипь в паровых котлах (что уменьшает их теплопроводность, влечет перерасход топлива и может вызвать аварию) и в посуде, в ней медленнее развариваются овощи, мясо,
крупы и другие продукты.
Общая жесткость представлена карбонатной и некарбонатной жесткостью. Карбонатная жесткость обусловлена содержанием с воде карбонатов и бикарбонатов кальция и магния
[Са(НСО3)2, Мg(НСО3)2]; некарбонатная жесткость вызвана
сульфатами и хлоридами кальция и магния (CaSО4, MgSO4, CaCl2,
MgCl2). Устранимая или временная жесткость обусловлена наличием в воде бикарбонатов кальция и магния, удаляемых при кипячении (они переходят в слаборастворимые карбонаты, выпадающие в осадок). Постоянная жесткость остается в воде после
удаления бикарбонатов (общая жесткость минус устранимая).
Для питья наиболее пригодны подземные воды с общей жесткостью 3–7 моль/дм3. В засушливых и полузасушливых районах нередко используются воды с жесткостью до 14 моль/дм3.
Жесткие воды непригодны для многих отраслей промышленности, таких, как бумажная, сахарная, кожевенная, пивоваренная, для питания паровых котлов, паровозов и др. Для снижения жесткости до требуемых норм они обрабатываются специальными способами.
6.2 Формирование состава подземных вод
6.2.1 Основные процессы формирования
химического состава подземных вод
Химический состав подземных вод чрезвычайно сложен.
Это определяется структурой воды, изотопным составом водоро-
199
да и кислорода (в зависимости от их комбинации может существовать до 18 видов воды), составом горных пород, с которыми
подземная вода взаимодействует, и газовым составом воды, биохимическими процессами, происходящими в подземных водах.
Совокупность всех указанных факторов и обусловливает то, что
все природные воды, даже выпадающие из атмосферы (дождь,
нег, град и т. д.), представляют собой очень сложные физикохимические системы.
Гидрогеохимия изучает строение и поведение воды в тесном взаимодействии ее с горными породами, выясняет роль и
значение растворенных в воде газов и находящихся в ней органических веществ и микроорганизмов, миграцию и историю всех
химических элементов в подземных водах.
Знание химического состава и физических свойств подземных вод необходимо для выявления закономерностей формирования и распространения природных вод различного состава, для
питьевого и техническо-хозяйственного водоснабжения, орошения, в качестве химического сырья для извлечения йода, брома,
поваренной соли и др., для лечебных целей; как поисковый критерий на различные полезные ископаемые, для оценки агрессивности подземных вод по отношению к бетону, для суждения об
изменении свойств глинистых пород в связи с изменением состава подземных вод, для установления связи водоносных горизонтов между собой и с поверхностными водами.
Основными процессами, формирующими химический состав подземных вод, являются: растворение, гидролитическое
разложение, ионный обмен, диффузионное растворение и выщелачивание, биохимические процессы, окислительные и восстановительные процессы. Помимо них имеют значение: смешение
воды на участках соприкосновения вод различного происхождения, концентрация вод при испарении, насыщение вод диоксидом
углерода в зонах метаморфизма горных пород.
Растворение. Процесс перехода в раствор всех элементов,
входящих в минерал или горную породу, называется растворением. В земной коре всегда содержатся различные легкорастворимые вещества, присутствующие в горных породах в небольших
количествах в виде примесей или залежей солей. При соприкосновении с водой подобные соли переходят в раствор. Скорость
200
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]