1.2.7. Умови перебування води в ґрунтах та породах

Стан та властивості води в межах ґрунтів та порід залежить від їх характеристик. Тому для підземних вод прийнято розглядати фізичні та водні властивості гірських порід, а також види води в них.

Основними фізичними властивостями (факторами середовища) порід є гранулометричний (механічний) склад, густина, пористість. Під складом розуміють процентний вміст часток (фракцій) різного діаметра по масі. Густина власно породи залежить тільки від її мінералогічного складу . Відносною густиною називають густину природного зразка породи, разом з водою та повітрям. Для рихлих порід вона змінюється від 1,3 до 2,4 г/см³. Відносною густиною сухої породи називають густину висушеного природного зразка.

(1.31)

Наявність різноманітних порожнин в породах називають скважністю. Наявність капілярних порожнин називають пористістю. Це основна характеристика, що впливає на вміст та рух підземних вод. Діаметр капілярів при цьому менший ніж 1 мм, а ширина тріщин менша 0,25 мм. Її характеризують різними коефіцієнтами. Основним є коефіцієнт загальної пористості:

(1.32)

де — сумарний об’єм пор, — загальний об’єм породи. Якщо використовувати дані про густину породи, то запишемо:

(1.33)

де — густина сухої породи, — густина власно породи, — маса породи, — загальний об’єм породи, — загальний об’єм пор. Тепер можемо знайти пористість:

(1.34)

Вода присутня в гірських породах в різному стані і знаходиться з ними у тісній взаємодії. За ступенем рухомості, характером зв’язку з породою та впливом на її властивості виділяють п’ять основних категорій (видів) води:

1) зв’язана вода,

а) хімічно зв’язана,

б) фізично зв’язана;

2) вода, зв’язана капілярними силами;

3) вільна вода;

4) кристалічна вода (лід);

5) водяна пара.

Хімічно зв’язана вода за В.І. Вернадським поділяється на конституційну, кристалізаційну та цеолітну. Перша з них хімічно зв’язана з речовиною мінералу. Друга лише приймає участь у побудові криста-лічних граток. Третя фактично є різновидом другої, але відрізняється малою міцністю зв’язків з мінералом.

Фізично зв’язана вода утримується на поверхні мінералів. Перший її тип — міцнозв’язана, адсорбційна, гігроскопічна. Вона утримується молекулярними та електричними силами зчіплення, може бути виділена тільки шляхом випаровування і присутня головним чином у глинистих породах. Шар гігроскопічної води при неповній гігроскопічності складає 1-3 молекули, а при максимальній гігроскопічності 10-20 молекул. Другий тип фізично зв’язаної води — рихлозв’язана, плівкова. Вона утворює плівку зверх максимальної гігроскопічності, може рухатися від часток з більшою товщиною плівки до меншої. Основні сили, що на неї діють — міжмолекулярні взаємодії. Вони перевищують прискорення вільного падіння у 70 000 раз. Тому напрямок руху може бути будь-який. Переміщення її може відбуватися також шляхом випаровування та конденсації (переносу вологи).

Усі зв’язані води практично не приймають участь в активному колообізі води. Лише частина плівкової води може бути засвоєна рослинами.

Капілярна вода утворюється після повного насичення гірських порід фізично зв’язаною, заповнює пори та тонкі тріщини. В залежності від ступеня заповнення пор та зв’язку з ґрунтовими водами вона поділяється на капілярно-стикову, капілярно-підвішену, капілярно-підняту та капілярно-роз’єднану. Більша їх частина грає важливу роль у живленні ґрунтових вод та рослин. За рахунок випаровування та фільтрації вона рухається, приймає участь у колообізі води. Основні сили, що на неї діють — меніскові.

Вільна (гравітаційна) вода — це краплиннорідка вода, що заповнює тріщини та крупні пори.

Її рух відбувається під дією сили тяжіння та градієнту напору, частково капілярних сил. Під час руху вона може механічно руйнувати (розмивати) породу, виносити та перевідкладати дрібні частки. Переважає над іншими видами води тільки у крупнофракційних відкладах (крупний пісок, гравій, галечник) та у тріщинуватих породах.

Вода у твердому стані (лід) зустрічається у вигляді кристалів, прошарків, лінз. Останні можуть досягати потужності у десятки метрів. Розрізняють: 1) похований лід надземного походження, 2) викопний лід підземного походження та 3) льодові включення, що входять до складу гірських порід.

Водяна пара заповнює разом з повітрям вільні від води частини порожнин. Виконує роль переміщувача вологи. Переміщення залежить від пружності, тобто від загальної вологості та температури. В деяких випадках (відносно сухі території) конденсація водяної пари з атмосфери в межах відносно охолоджених ґрунтів, особливо вночі, має певне значення для поповнення запасу підземних вод.

Водні властивості ґрунтів та порід визначаються їх фізичними властивостями та наявністю вологи. Основні з них: вологість, вологоємність, водовіддача, капілярність та водопроникність. Кожна з них може бути описана різними кількісними показниками, тобто це відносно складні, комплексні гідрофізичні характеристики.

Вологість — це фактичний вміст води у породі (на відміну від вологоємності — як можливості, потенціалу). Розрізняють масову та об’ємну вологість.

(1.35)

де — масова вологість, — маса води, — маса сухої породи, — маса всієї породи (разом з водою).

(1,36)

Де — об’ємна вологість ґрунту або породи, — об’єм води, — загальний об’єм.

Якщо врахувати, що, то:

. (1.37)

Вологість також характеризують коефіцієнтом насичення породи:

. (1.38)

Якщо води нема, то (як і . Якщо вода заповнює всі пори, то .

Вологоємністю називають властивість порід вміщувати та утримувати певну кількість води. Відповідно до різних видів та умов утримування води розрізняють певні види вологоємності. Повною вологоємністю називають — сумарний вміст у породі всіх видів води при повному заповненні нею порового простору. Особливим показником є водовіддача — властивість водонасиченої породи (або ґрунту) віддавати воду шляхом вільного стікання.

(1.40)

де — питома водовіддача, — об’єм води, що вільно стекла, — об’єм породи.

Різницю повної вологоємності та вологості називають дефіцитом вологи:

(1.40)

де — дефіцит вологи, — повна вологоємність, — масова вологість.

Водопроникністю порід називають їх властивість пропускати через себе воду при наявності перепадів тиску. Вона залежить від гранулометричного складу та характеру пористості ґрунту або породи. За ступенем водопроникності їх поділяють на три групи: водопроникні (галечник, гравій, крупний пісок), слабоводопроникні (дрібний та глинистий пісок, супісок, лес), практично водонепроникні тобто водотриви (кристалічні породи без тріщин, більшість глин). Глини мають дуже велику пористість, але ці пори на стільки дрібні, що вода по них практично не може рухатися.

Під капілярністю породи розуміють властивість вміщувати (утримувати), або пропускати капілярну воду. Виділяють швидкість руху та висоту капілярного підняття. Остання залежить від величини пор, складу породи, температури та інших факторів. Пониження температури та збільшення мінералізації приводять до збільшення в’язкості та поверхневого натягу. Відповідно — висота капілярного підняття збільшується. Його величина змінюється від нуля (галька, гравій) до 12 м (деякі види глин).