8.1 Определение направления и скорости движения

подземных вод

Для решения многих теоретических и практических задач, свя-

занных с миграцией в воде различных химических и биологических

компонентов, с прогнозом распространения загрязнений, устойчивости

откосов карьеров, оснований плотин и других инженерных сооруже-

ний, необходимо определять направление и скорость движения под-

земных вод. Скорость и направление движения воды определяют раз-

личными методами: индикатора, изотопным, геофизическими метода-

ми и др.

Суть метода индикаторов заключается в погружении в опытную

скважину веществ, изменяющих химический состав или цвет воды и в

улавливании этой воды в наблюдательных скважинах, расположенных

ниже по течению подземных вод. Расстояние между опытной и наблю-

дательными скважинами принимают в зависимости от характера по-

род: в крупнозернистых песках 2 – 5 м; в мелкозернистых песках 1 – 2

м; в супесях, суглинках и других слабопроницаемых породах 0,5 – 1,5

м. Расстояние между наблюдательными скважинами, обычно разме-

щаемыми по радиусу, принимается 0,5 – 1,5 м.

Для определения направления и скорости движения подземных

вод используют также и радиоиндикаторные методы. Мечение воды

осуществляют изотопами

131

I,

35

S,

24

Na и др. Источник излучения (в

гильзе) опускают в опытную скважину, а счётчик - в наблюдательную.

Метод радиоактивных индикаторов широко применяется при изучении

фильтрации из водохранилищ, взаимосвязи поверхностных и подзем-

ных вод, при исследовании миграции солей и т.д.

Для выявления направления движения подземных вод на больших

площадях составляют карты гидроизогипс и гидроизопьез. Гидроизо-

гипсы – линии, соединяющие точки с одинаковыми отметками по-

верхности ненапорных подземных вод. Гидроизопьезы – соединяют

одинаковые отметки пьезометрического уровня напорных вод. Поток

подземных вод движется в направлении, перпендикулярном этим ли-

ниям.

При отсутствии карт, отражающих положение свободной или пье-

зометрической поверхности подземных вод, для определения направ-

ления их движения необходимо иметь не менее трёх скважин с отмет-

ками уровня подземных вод, измеренных в одно и тоже время. Сква-

77

жины желательно располагать по углам равностороннего треугольника

с длиной стороны от 50 до 300 м (чем меньше уклон потока, тем боль-

ше должно быть расстояние между скважинами). По известным или

установленным в трёх (или более) точках отметкам уровня проводят

несколько гидроизогипс и определяют направление движения по пер-

пендикуляру к ним в сторону убывания отметок (рис. 15).

Рис. 15. Схема расположения скважин для определения направле-

ния и скорости движения грунтовых вод:

I, II, III – скважины для определения направления движения (в

знаменателе – абсолютная отметка уровня воды); 1 – центральная; 2,3,4

– наблюдательные скважины для определения скорости движения

8.2 Понятие о гидрогеологических параметрах

К основным гидрогеологическим параметрам относятся водоот-

дача и водопроницаемость.

Водоотдача - способность водонасыщенных пород отдавать гра-

витационную воду при возможности ее свободного стекания. Численно

водоотдача характеризуется коэффициентом водоотдачи (µ), представ-

ляющим собою отношение объема свободно отдаваемой воды к объе-

му всей породы. Водоотдача зависит от размеров и структуры пор и

трещин. Наилучшей водоотдачей обладают породы с крупными пора-

ми и пустотами - гравий, галечник, крупнозернистые пески, у которых

коэффициент водоотдачи близок к коэффициенту пористости и изме-

78

няется в пределах от 0,15 до 0,4. Более мелкозернистые песчаные и

суглинистые породы обладают незначительной водоотдачей (0,15 -

0,005).

Водопроницаемость - способность горных пород пропускать

(фильтровать) воду. Водопроницаемость тел выше, чем больше пло-

щадь сечения пустот. Гравий, галечник, крупные и средние пески,

трещиноватые скальные породы обладают хорошей водопроницаемо-

стью. К водонепроницаемым породам относятся глины и не вывет-

ренные скальные породы. Количественно она характеризуется ко-

эффициентом фильтрации (k), который представляет собой скорость

фильтрации при напорном градиенте равном единице. Среднее значе-

ние коэффициента фильтрации (м/сутки):

- глина менее 0,001;

- суглинки 0,01 - 0,1;

- супеси 0,1 - 0,5;

- песок крупнозернистый 20 – 50;

- гравий 20 – 150;

- крупный галечник 500-1000.

8.3 Физические свойства и характеристики

подземных вод

Любая подземная вода представляет собой сложный многоком-

понентный раствор. В поземных водах содержатся разнообразные ми-

неральные и органические вещества, газы и микроорганизмы. Изуче-

ние состава подземных вод, процессов, приводящих к его формирова-

нию, занимается гидрогеохимия. К важнейшим физическим свойст-

вам подземных вод относят: температуру, цвет, запах, прозрачность,

вкус, электропроводность и радиоактивность.

Температура воды колеблется от –5 °С (в районах многолетней

мерзлоты) до +300 °С и более в районах, где наблюдается вулканиче-

ская деятельность. Температура грунтовых вод средних широт колеб-

лется от 5 до 15 °С и изменяется в зависимости от времени года. Пояс

постоянных годовых температур находится на глубине 20 – 30 метров.

С глубиной температура воды, как и горных пород, повышается.

В зависимости от температуры подземные воды делятся на хо-

лодные – с температурой менее 20 °С; тёплые – от 20 до 37 °С; горячие

– от 37 до 42 °С; термы – с температурой более 42 °С.

79

Цвет воде придают растворенные в ней минеральные и органи-

ческие вещества, например, гумусовые кислоты, окрашивают воду в

бурый и даже черный цвет. Чаще всего подземные воды бесцветны.

Большинство подземных вод не имеет запаха, но при активной

деятельности некоторых видов бактерий вода может иметь сероводо-

родный, болотный, плесневый и т. п. запах. Интенсивность запаха оце-

нивается по пятибалльной системе.

Вода при наличии в ней взвешенных веществ может быть сильно

мутной, мутной, слегка мутной и опалисцирующей. При отсутствии

взвешенных веществ вода прозрачная.

Вкус подземных вод бывает соленый, горький, сладкий, кислый,

который придают растворенные в ней вещества. При содержании в

воде хлористого натрия она имеет солёный вкус, сульфата магния –

горький, солей железа – терпкий и т.д. Интенсивность вкуса оценива-

ется по пятибалльной системе.

Жесткость - важный показатель оценки качества воды, обуслов-

лена содержанием в воде солей кальция и магния.

По степени жёсткости выделяют очень мягкие воды (до 1,5 мг-

экв/л), мягкие (1,5 – 3), умеренно жёсткие (3 – 6), жёсткие (6 – 9) и

очень жёсткие (свыше 9 мг-экв/л).

К физическим свойствам подземных вод также относятся элек-

тропроводность и радиоактивность.

8.4 Химический состав подземных вод

В подземных водах обнаружено более 60 элементов таблицы

Менделеева. Большинство из них содержится в воде в незначительных

количествах (микроэлементы), некоторых - достаточно много (макро-

элементы). Также в воде содержатся газы, органические соединения и

микрофлора. Все они находятся в виде ионов, простых и комплексных

молекул, коллоидов. Эти вещества поступают в подземные воды из

горных пород, атмосферы, а также с поверхностными водами. Сумма

всех найденных при химическом анализе воды минеральных веществ

называется минерализацией воды (мг/л). Массовая доля сухого остат-

ка в природных водах может изменяться от нескольких десятков мил-

лиграммов до нескольких сотен грамм на литр. По величине минера-

лизации выделяют: сверхпресные воды - до 200 мг/л; пресные, с мине-

рализацией от 0,2 до 1 г/л; слабосолоноватые 1 – 3 г/л; сильно солоно-

ватые 3 - 10 г/л, соленые 10 - 35 г/л, рассолы - более 35 г/л.

80

Важнейшими ионами, определяющими минерализацию воды, яв-

ляются К

+

, Са

2+

, Мg

2+

, Na

+

, К

+

, Сl

-

, НСО3

-

, СО3

2-

. В пресных водах

обычно преобладают ионы Са

2+

и НСО3

-

(гидрокарбонатно-кальциевый

состав) в соленых - Na

+

и Сl

-

(хлоридно-натриевый). Больше всего в

подземных водах содержится хлор иона - 100 г/л и более. Содержание

сульфат иона ограничивается величиной растворимости СаSО4. Коли-

чество ионов НСО3

-

- редко превышает 1, 5 г/л и зависит от количества

углекислоты. Ионы натрия содержатся в очень больших количествах и

всегда преобладают над калием. Содержание Мg

2+

, может достигать

нескольких десятков г/л.

В водах нефтегазовых месторождений содержатся йод, бром, бор,

стронций; их содержание может достигать сотен мг/л. Для рудных ме-

сторождений характерно высокое содержание в воде меди, молибдена,

никеля, железа, ртути, серебра, и др.

Основными газами, содержащимися в подземных водах являют-

ся; О2, N2, СО2, Н2, Н2S, СН4. Помимо указанных газов могут присутст-

вовать инертные газы - неон, аргон, гелий, радон, а также СО, НСl, НF.

В подземных водах содержатся различные органические соеди-

нения: углеводороды, фенолы, аминокислоты и др. Наиболее обога-

щены органическим веществом воды нефтяных месторождений, со-

держание органических веществ в них достигает нескольких сот мил-

лиграммов на литр.

Бактерии в подземных водах обнаружены до глубины нескольких

километров. В зоне активного водообмена наиболее распространены

гнилостные и болезнетворные бактерии. На больших глубинах разви-

ваются такие группы бактерий как сульфатредуцирующие, метанооб-

разующие, денитрифицирующие и др. Число бактерий колеблется от

10 до 500 тыс. клеток в 1 мл воды; в особо благоприятных ситуациях

их число может достигать 2 млн. клеток в 1 мл воды.