Как называют подземные воды. Понятие режима подземных вод

ПОДЗЕМНЫЕ ВОДЫ

Все воды, находящиеся в порах и трещинах горных пород ниже поверхности

Земли, относятся к подземным водам. Часть этих вод свободно перемещается в верхней

части земной коры под действием гравитационных сил, а другая часть находится в очень

тонких порах, удерживаясь силами поверхностного натяжения. Подземные воды не могут

существовать без обмена с водой поверхностной и активно участвуют в круговороте воды

в природе.

Структура и свойства воды определяется строением ее молекулы – Н2О в виде

тетраэдра, в центре которого находится атом кислорода. На концах одного из ребер

тетраэдра расположены два положительных заряда ядер атомов водорода, что составляет

гидроль или элементарную дополнительную структурную единицу воды.

Виды подземных вод

1. Кристаллизационная вода находится в составе кристаллической решетки некоторых

минералов, например, в гипсе – CaSO4·2H2O (.21% воды по массе), мирабилите

Na2SO4.10H2O (.56% воды по массе

2. Вода в твердом виде встречается в многолетнемерзлых породах в виде кристаллов и

прожилков льда. Также лед образуется и при сезонном промерзании воды, содержащейся

3. Вода в виде пара содержится в воздухе, который находится в порах почвы.

4. Прочносвязанная вода располагается в виде молекулярной прерывистой пленки на

поверхности мельчайших частиц таких пород, как глины и суглинки. Эта пленка

удерживается силами молекулярного сцепления и не может стечь с поверхности частицы

5. Рыхлосвязанная вода представляет собой более толстую пленку из нескольких слоев

молекул воды на частицы породы. Эта вода обладает способностью перемещаться от

более толстой пленке к менее толстой.

6. Капельно-жидкая (гравитационная) вода уже обладает способностью свободно

перемещаться в почвах по трещинам и порам под действием силы тяжести,

начиная с верхнего почвенного слоя.

7. Капиллярная вода, как следует из названия, находится в тончайших капиллярных трубочках или порах, в которых удерживается силами поверхностного натяжения с образованием менисков. Капиллярная вода обычно располагается выше уровня грунтовых вод и при этом она может подниматься подтягиваясь вверх от этого уровня на 1,5 – 3 м. Капиллярная кайма, будучи связана с уровнем грунтовых вод, колеблется вместе с ним.

Выше уровня грунтовых вод может располагаться еще одна неширокая кайма капилярно-подвешенной воды, удерживаемой в тонких порах почвы и подпочвенных

горизонтов суглинков и глин.

Подземные воды распределяются в верхней части земной коры вполне закономерно. Самая верхняя часть земной коры, вблизи поверхности, называют зоной аэрации, т.к. она связана с атмосферой и с почвенным покровом. Ниже нее залегает зона полного насыщения, где вода распространена преимущественно в жидком виде, тогда как в зоне аэрации она может быть и парообразной. Если температуры отрицательны, то вода в этих двух зонах может

присутствовать и в виде льда.

Таким образом, зона аэрации представляет собой как бы переходный буферный слой

между атмосферой и гидросферой.

Классифицировать подземные воды можно по разным признакам – по условиям

залегания, по происхождению, по химическому составу.

Типы подземных вод по условиям залегания. Выделяются воды безнапорные,

подразделяющиеся на верховодку, грунтовые и межпластовые, а также напорные или

артезианские.

Верховодка – это временное скопление воды в близповерхностном слое в пределах

зоны аэрации, располагающееся в водоносных отложениях, лежащих на линзовидном,

выклинивающемся водоупоре. Как правило, верховодка появляется весной, когда тают снега или в дождливое время, но потом она может исчезнуть. Поэтому колодцы, выкопанные до верховодки, летом пересыхают.

Временными водоупорами могут быть любые выклинивающиеся линзовидные пласты

глин и тяжелых суглинков, располагающиеся в толще водоносных аллювиальных или

флювиогляциальных отложений.

Грунтовые воды представляют собой первый сверху постоянный водоносный

горизонт, располагающийся на первом же протяженном водоупорном слое. Питаются

грунтовые воды из области водосбора в пределах водоносного горизонта. Грунтовые воды

могут быть связаны с любыми породами как рыхлыми, так и твердыми, но

трещиноватыми.

Поверхность грунтовых вод называется зеркалом, а мощность водосодержащего

слоя оценивается вертикалью от зеркала до кровли водоупорного горизонта и она не

остается постоянной, а меняется из-за неровностей рельефа, положения уровня разгрузки,

количества атмосферных осадков, изгиба кровли водоупорного слоя. Выше зеркала

грунтовых вод образуется кайма капиллярно подтянутой воды.

Движение и режим грунтовых вод.

Зеркало грунтовых вод ведет себя в зависимости от рельефа повышаясь на

водоразделах и понижаясь к рекам, оврагам и другим местам дренирования. Естественно, что вода в водоносном слое под действием силы тяжести находится в непрерывном движении и стремится достичь наиболее низкого места в рельефе, например, уреза воды в реке, тальвега дна оврага. Именно там, в области разгрузки подземных вод, образуются родники. Вода в водоносном слое перемещается в зависимости от пористости пород, характера соприкосновения частиц, формы и размеров пор, уклона водоносного слоя. Обычно в песках скорость движения воды при небольших уклонах составляет от 0,5 до 2-3 м/сутки. Но если уклон большой и поры велики, то скорость может достигать первых десятков м/сутки.

В зависимости от количества атмосферных осадков объем грунтовых вод может

изменяться и летом дебит источников падает, а в сильные засухи родники даже пересыхают. Зеркало грунтовых вод особенно сильно может понижаться в связи с забором воды для промышленных нужд. Вокруг скважин, откачивающих воду, уровень грунтовых вод постепенно понижается и образуется депрессионная воронка

Межпластовые безнапорные подземные воды приурочены к водоносным слоям,

располагающимся между двумя водоупорными слоями. Иногда таких водоносных пластов

может быть несколько. Если водоносный горизонт обладает большой мощностью и выше

его зеркала находится озеро, пруд или река, то направление течения воды в водоносном

горизонте будет проходить по изогнутым линиям, стремящимся к реке.

Напорные или артезианские межпластовые воды образуются в том случае, если

водоносный горизонт, зажатый между двумя водоупорными, приурочен либо к пологой

синклинали или мульде, или к моноклинали, или еще к каким-нибудь структурам, в которых возможно образование напорного градиента. Напорные воды обладают способностью самоизливаться и фонтанировать, т.к. находятся под гидростатическим давлением.

Впервые такие фонтаны воды были получены во Франции в провинции Артезия, поэтому

они и стали называться артезианскими. Каждый артезианский бассейн включает в себя

области: питания, напора и разгрузки. Первая область представляет собой выход на

поверхность водоносного слоя, на которую выпадают все атмосферные осадки, питающие

этот водоносный горизонт. Область напора заключена между двумя водоупорами –

водоупорной кровлей и водоупорным ложем, а там, где водоносный слой появляется на

поверхности, или вскрывается скважинами, но ниже области питания, называется

областью разгрузки. Нередко в артезианских бассейнах развито сразу несколько

водоносных напорных горизонта, что особенно характерно для артезианских бассейнов в

межгорных впадинах, где глубины водоносных горизонтов могут превышать 1000-1500 м.

В платформенных областях, где артезианские бассейны большие, верхние

водоносные горизонты до глубин в 200-5-м содержат преимущественно пресные воды, а

ниже воды обладают уже высокой минерализацией.

В центре Европейской части России находится Московский артезианский бассейн,

располагающийся в пологой чашеобразной впадине – Московской синеклизе. Водоносные

горизонты связаны с трещиноватыми каменноугольными и девонскими известняками, а

водоупорами служат прослои глин. Области питания располагаются на крыльях

синеклизы. В девонских карбонатных отложениях на глубинах от 400 до 600 м развиты

минеральные воды с минерализацией 2,4-4,5 г/л. Это всем хорошо известная московская

минеральная вода. В Московском артезианском бассейне сосредоточены большие запасы

пресных и промышленных вод. На всю территорию России составлены карты

распространения артезианских бассейнов и подсчитаны запасы в них воды, как пресной,

так промышленной и термальной.

Типы источников. Всем хорошо известны выходы подземных вод на поверхность в

виде родников и ключей с холодной, вкусной водой. Родники появляются там, где

происходит разгрузка водоносных горизонтов.

Нисходящие источники чаще всего располагаются недалеко от уреза воды в долине

реки, в нижней части склонов оврагов, там где к поверхности подходят водоупорные

горизонты. Источники этого типа связаны как с верховодкой, так и с грунтовыми, а также

межпластовыми водами. Все они характеризуются изменяющимся дебитом, вплоть до

высыхания в жаркое лето. В источниках нисходящего типа вода изливается спокойно, в

виду небольшого угла наклона слоев. Нередко можно наблюдать вдоль берега реки

сплошную линию сочащихся подземных вод. Нисходящие источники обычно

водообильны, поэтому местами они дают начало ручьям и небольшим речкам, как

происходит с карстовыми источниками, вытекающими из пещер.

Восходящие источники - это выходы на поверхность в местах разгрузки напорных

вод, тогда как сам водоносный горизонт расположен намного ниже. Вода может

подниматься вверх по трещинам или тектоническому разлому.

Вокруг минеральных источников, особенно углекислых вод, на поверхности

образуется скопление т.н. известкового туфа или травертина, иногда достигающего

нескольких метров мощности. Такие травертины белого, желтоватого или розового цветов

известны на г.Машук в Пятигорске, в районе Кавказских минеральных вод. Туф

образуется из гидрокарбонатно-кальциевых вод, когда гидрокарбонат Ca(HCO3)2

переходит в СаСО3 при уходе в воздух СО2 – углекислого газа. В травертинах часто

находят отпечатки листьев растений, кости древних животных, которые постепенно

обвалакиваются известковым туфом.

Подземные воды - воды, находящиеся в толще горных пород верхней части земной коры в жидком, твёрдом и газообразном состоянии. Подземные воды – один из основных существующих и перспективных источников водоснабжения. В сравнении с поверхностными водами они обладают более высоким качеством, не требуют дорогостоящей очистки, лучше защищены от поверхностных загрязнений и повсеместно распространены. На долю подземных вод приходится около 40% всего объема воды. Однако подземные воды – фактор, осложняющий строительные работы. Они ухудшают механические свойства рыхлых и глинистых вод, могут быть агрессивной средой для металлических и бетонных конструкций, способствуют образованию неблагоприятных инженерно-геологических процессов.

Происхождение подземных вод (теории)

Существуют две основные теории происхождения подземных вод: инфильтрационная и конденсационная.

Инфильтрационная теория объясняет образование подземных вод просачиванием вглубь Земли атмосферных осадков и поверхностных вод. Просачиваясь по крупным трещинам и порам, вода задерживается на водонепроницаемых слоях, и дает начало подземным водам. Процесс изменчив во времени и определяется природными условиями района: рельефом, водопроницаемостью пород, растительным покровом, деятельностью человека. При понижении уровня подземных вод испарение поверхности уменьшается, а на некоторой глубине становится равной нулю. В этих условиях величина инфильтрационного питания подземных вод возрастает.

Конденсационная теория предполагает возникновение подземных вод в связи с конденсацией водяных паров, которые приникают в поры и трещины из атмосферы. Эти теории дополняют друг друга. Инфильтрационный путь образования подземных вод является основным для подземных вод, залегающих в зоне активного водообмена, в районах с достаточно высоким количеством атмосферных осадков. В районах с небольшим их количеством (пустыни, сухие степи) роль конденсации водяных паров в образовании и питании подземных вод существенно возрастает. Кроме того, воды земной коры пополняются ювенильными водами, которые возникают за счет кислорода и водорода, выделяемых магмой. Прямой выход на поверхность Земли в виде паров и горячих источников ювенильные воды имеют при вулканической деятельности.

22. Физические и химические свойства подземных вод, их жесткость, агрессивность.

1. Физические свойства подземных вод

При оценке подземных вод для водоснабжения исследуют вкус, запах, цвет, прозрачность, температуру и другие физические свойства, которые характеризуют органолептические свойства воды. Они обычно прозрачны, бесцветны, не имеют запаха. Вкус зависит от вида и количества растворенных солей и газов. Температура подземных вод колеблется в широких пределах в зависимости от глубины залегания водоносного слоя. Различают холодные воды (0…20 оС), теплые или субтермальные (20…37оС), термальные (37…100оС), перегретые (более 100 оС). Очень холодные подземные воды циркулируют в зоне вечной мерзлоты, в высокогорных районах; перегретые воды характерны для районов молодой вулканической деятельности (Камчатка). На участках действующих водозаборов в основном распространены холодные воды с температурой 5…20оС. С увеличением глубины залегания температура воды по закону геотермической ступени возрастает, достигая на глубине нескольких километров 100 оС и более. Плотность воды изменяется в зависимости о температуры и количества растворенных в ней веществ. Колебания от 0,8 (250оС) до 1,4 г/см (за счет солей). Сжимаемость подземных вод характеризуется коэффициентом сжимаемости, показывающем, на какую долю первоначального объема жидкости уменьшается объем при увеличении давления на 105 Па. Коэффициент сжимаемости составляет (2,5…5,0)10-5Па, т.е. вода в некоторой степени обладает упругими свойствами, что важно при изучении напорных подземных вод. Вязкость воды характеризует внутреннее сопротивление частиц ее движению. С повышением температуры вязкость уменьшается. Электропроводность зависит от количества солей в воде (0,02 до 1,00 Ом м). Радиоактивность подземных вод вызвана присутствием в ней радиоактивных элементов (урана, стронция, цезия, радия, радона и др.). Даже ничтожно малые концентрации (сотые и тысячные доли мг/л) некоторых радиоактивных элементов могут быть вредными для человека.

2 .Подземная вода представляет собой сложный водный раствор, содержащий растворенные соли, газы, органические вещества и коллоиды. Количественные соотношения между отдельными компонентами обусловливают физические свойства и химический состав подземных вод. Ионно-солевой состав. Подземная вода не встречается в химически чистом виде. В ней обнаружено более 60 элементов периодической системы. Основные компоненты (ионы), определяющие химический тип воды, - Cl, SO4, HCO3, Na, Mg, Ca, K. Суммарное содержание растворенных в воде минеральных веществ называют общей минерализацией. О ее величине судят по сухому или плотному остатку, который получается после выпаривания определенного объема воды при температуре 105…110оС.

3. Свойство воды, обусловлено содержанием в ней ионов кальция и магния, называют жесткостью. Различают: общую жесткость (все ионы Ca и Mg); карбонатную жесткость (содержание карбонатных и гидрокарбонатных ионов); устранимую (временную) жесткость, определяемую экспериментально после кипячения пробы; некарбонатную жесткость, определяемую вычитанием из общей жесткости карбонатной; неустранимую (постоянную) жесткость, определяемую вычитанием из общей жесткости устранимой жесткости. Жесткие воды дают накипь в паровых котлах, плохо взмыливаются и вызывают другие нежелательные явления.

4. Агрессивность подземных вод. Агрессивное действие вод на бетон проявляется в растворении его карбоната кальция, а также в образовании солей CaSO42H2O, MgSO42H2O и гидросульфоалюмината кальция, вызывающего вспучивание и крошение бетона. Агрессивное действие на металл (коррозия). Проявляется в основном за счет окисления железа с образование ржавчины. Мягкая вода проявляет свою агрессивность еще сильнее из-за ее большой растворимости.

Все воды, находящиеся в толще горных пород в твердом, жидком или газообразном состоянии, называются подземными

На материках они образуют сплошную оболочку, которая не прерывается даже в областях сухих степей и пустынь. Как и поверхностные воды, они находятся в постоянном движении и участвуют в общем круговороте воды в природе. Строительство и эксплуатация большинства наземных сооружений и всех подземных связаны с необходимостью учета движения подземных вод, их состава и состояния. От подземных вод зависят физикомеханические свойства и состояние многих горных пород. Они часто затопляют строительные котлованы, канавы, траншеи и тоннели, а, выходя на поверхность, способствуют заболачиванию территории. Подземные воды могут являться агрессивной средой по отношению к горным породам. Они выступают основной причиной многих физикогеологических процессов, возникающих в естественных условиях, в процессе строительства и эксплуатации инженерных сооружений.

Различают:

Питьевые воды – воды, по своему качеству в естественном состоянии или после обработки отвечающие нормативным требованиям и предназначенные для питьевых и бытовых нужд человека, либо для производства пищевой продукции. Этот тип вод включает также минеральные природные столовые воды, к которым относятся подземные воды с общей минерализацией не более 1 г/дм 3 , не требующие водоподготовки или не изменяющие после водоподготовки своего естественного состава.

Технические подземные воды – воды различного химического состава (от пресных до рассолов), предназначенные для использования в производственно-технических и технологических целях, требования к качеству которых устанавливаются государственными или отраслевыми стандартами, техническими условиями или потребителями.

Подземные воды так же подразделяют:

Подземные воды в основном образуются в результате просачивания (инфильтрации) атмосферных осадков и поверхностных вод в толщу земной коры. Вода проходит через водопроницаемые породы до водоупорного слоя и накапливается на нем, образуя подземный бассейн или поток. Такая подземная вода называется инфильтрационной . Количество инфильтрационной воды зависит от климатических условий местности, рельефа, растительности, состава пород верхней толщи, их структуры и текстуры, а также тектонического строения района. Инфильтрационные подземные воды являются самыми распространенными.

Подземная вода может образовываться также путем конденсации парообразной воды, постоянно циркулирующей в порах горных пород. Конденсационная подземная вода образуется только летом и частично весной и осенью, а зимой не образуется совсем. Конденсацией водяных паров А. Ф. Лебедев объяснял образование значительных запасов подземной воды в зонах пустынь и полупустынь, где количество выпадающих атмосферных осадков ничтожно. Конденсироваться могут не только водяные пары атмосферы, но и водяные пары, выделяющиеся из магматических очагов и других высокотемпературных зон земной коры. Такие подземные воды называются ювенильными.Ювенильные подземные воды обычно сильно минерализованы. В ходе геологического развития в толще земной коры могут сохраняться погребенные водные бассейны. Вода, содержащаяся в осадочных толщах этих бассейнов, называется реликтовой .

Образование подземных вод представляет собой сложный процесс, начинающийся с накопления осадков и тесно связанный с геологической историей района. Очень часто подземные воды различного происхождения перемешиваются между собой, образуя смешанные по происхождению воды.

Верхнюю часть земной коры с точки зрения распространения подземных вод принято делить на две зоны: зону аэрации и зону насыщения. В зоне аэрации не всегда все поры горных пород заполнены водой. Все воды зоны аэрации питаются за счет атмосферных осадков, интенсивно испаряются и поглощаются растениями. Количество воды в этой зоне определяется климатическими условиями. В зоне насыщения, независимо от климатических условий, всегда все поры горных пород заполнены водой. Над зоной насыщения находится подзона капиллярного увлажнения. В этой подзоне тонкие поры заполнены водой, а крупные воздухом.

В зоне аэрации образуются почвенная вода и верховодка. Почвенная вода залегает непосредственно у поверхности земли. Это единственная вода, которая не имеет под собой водоупора и представлена, в основном, связанной и капиллярной водой. Почвенная вода находится в сложной взаимосвязи с животными и растительными организмами. Она отличается резкими колебаниями температуры, наличием микроорганизмов и гумуса. С почвенной водой строители сталкиваются только на заболоченных участках.

Верховодка образуется в зоне аэрации на водонепроницаемых линзах. Верховодкой также называют любые временные скопления воды в зоне аэрации. Атмосферные осадки, проникающие в эту зону, могут временно задерживаться на слабопроницаемых или уплотненных слоях. Чаще всего это происходит весной в период снеготаяния или в период обильных дождей. В засушливые периоды верховодка может исчезать. Характерными особенностями верховодки является непостоянство существования, ограниченность распространения, малая мощность и безнапорность. Верховодка нередко создает затруднения для строителей, так как наличие или возможность ее образования не всегда устанавливается при инженерно геологических изысканиях. Образовавшаяся верховодка может вызывать подтопление инженерных сооружений, заболачивание территорий.

Грунтовой называется вода, залегающая на первом от поверхности земли постоянном водоупорном слое. Грунтовые воды существуют постоянно. Они имеют свободную водную поверхность, называемуюзеркалом грунтовых вод, и водоупорное ложе. Проекция зеркала грунтовых вод на вертикальную плоскость называется уровнем грунтовых вод (У Г В). Расстояние от водоупора до уровня грунтовых вод называется мощностью водоносного горизонта. Уровень грунтовых вод, а, следовательно, и мощность водоносного горизонта - величины непостоянные и могут меняться в течение года в зависимости от климатических условий. Питание грунтовых вод происходит в основном за счет атмосферных и поверхностных вод, но они могут быть и смешанными, инфильтрационно-конденсационными. Участок поверхности земли, с которого поверхностная и атмосферная вода поступает в водоносный горизонт, называется областью питания грунтовых вод. Область питания грунтовых вод всегда совпадает с областью их распространения. Грунтовые воды в силу наличия свободной водной поверхности являются безнапорными, т. е. уровень воды в скважине устанавливается на той же отметке, на которой встречена вода.

В зависимости от условий залегания грунтовых вод различают грунтовые потоки и бассейны. Грунтовые потоки имеют наклонное зеркало и находятся в непрерывном движении в сторону уклона водоупора. Грунтовые бассейны имеют горизонтальное зеркало и встречаются гораздо реже.

Грунтовые воды, находясь в постоянном движении, имеют тесную связь с поверхностными водотоками и водоемами. В районах, где атмосферные осадки преобладают над испарением, грунтовые воды обычно питают реки. В засушливых районах очень часто вода из рек поступает в грунтовые воды, пополняя подземные потоки. Может существовать и смешанный тип связи, когда с одного берега грунтовые воды питают реку, а с другого - вода из реки поступает в грунтовый поток. Характер связи может меняться в зависимости от климатических и некоторых других условий.

При проектировании и строительстве инженерных сооружений необходимо учитывать режим грунтовых вод , т. е. изменение во времени таких показателей, как колебания уровня грунтовых вод, температуры и химического состава. Наибольшим изменениям подвержены уровень и температура грунтовых вод. Причины этих изменений очень разнообразны и нередко непосредственно связаны со строительной деятельностью человека. Климатические факторы вызывают как сезонные, так и многолетние изменения уровня грунтовых вод. Паводки на реках, а также водохранилища, пруды, системы орошения, каналы, дренажные сооружения ведут к изменению режима грунтовых вод.

Положение зеркала грунтовых вод на картах изображается с помощью гидроизогипс и гидроизобат.Гидроизогипсы - линии, соединяющие точки с одинаковыми абсолютными отметками уровня грунтовых вод. Эти линии аналогичны горизонталям рельефа и подобно им отражают рельеф зеркала грунтовых вод. Карта гидроизогипс используется для определения направления движения грунтовых вод и для определения значения гидравлического градиента. Направление движения грунтовых вод всегда перпендикулярно гидроизогипсам от более высоких отметок к более низким. Направления, по которым передвигаются грунтовые воды при установившемся неизменяющемся во времени движении, называются линиями тока. Если линии тока параллельны между собой, то такой поток называется плоским. Поток также может быть сходящимся и расходящимся. Чем меньше расстояние между гидроизогипсами, тем больше гидравлический градиент грунтового потока. Гидроизобаты - линии, соединяющие точки с одинаковой глубиной залегания грунтовых вод.

Межпластовыми подземными водами называются водоносные горизонты, залегающие между двумя водоупорами. Они могут быть ненапорными и напорными. Межпластовые ненапорные воды встречаются редко. По характеру движения они аналогичны грунтовым водам. Межпластовые напорные воды называются артезианскими. Залегание артезианских вод весьма разнообразно, но наиболее часто встречаются синклинальное. Артезианская вода всегда заполняет весь водоносный горизонт от подошвы до кровли и не имеет свободной водной поверхности. Область распространения одного или нескольких уровней артезианских водоносных горизонтов называют артезианским бассейном. Площади артезианских бассейнов огромны и измеряются десятками, сотнями, а иногда и тысячами квадратных километров. В каждом артезианском бассейне различают области питания, распространения и разгрузки. Область питания артезианских бассейнов обычно располагается на больших расстояниях от центра бассейна и на более высоких отметках. Она никогда не совпадает с областью их распространения, которую иногда называют областью напоров. Артезианские воды испытывают гидростатическое давление, обусловленное разностью отметок области питания и области разгрузки, по закону сообщающихся сосудов. Уровень, на котором устанавливается артезианская вода в скважине, называется пьезометрическим. Положение его определяется пьезометрической линией , или линией напоров, условной прямой линией, которая соединяет область питания с областью разгрузки. Если пьезометрическая линия проходит выше поверхности земли, то при вскрытии водоносного горизонта скважинами будет происходить фонтанирование, а напор называется положительным. Когда пьезометрический уровень расположен ниже поверхности земли, то напор называется отрицательным, а вода из скважины не выливается. Артезианские воды, как правило, более минерализованы и меньше связаны с поверхностными водотоками и водоемами, чем грунтовые воды.

Трещинными водами называются подземные воды, приуроченные к трещиноватым магматическим, метаморфическим и осадочным породам. Характер их движения определяется размером и формой трещин. Трещинные воды могут быть ненапорными и напорными. Они непостоянны и могут менять характер движения. Размыв и растворение горных пород приводят к расширению трещин, а кристаллизация солей и накопление осадков - к их сужению. Расход трещинных вод может достигать 500 м 3 /ч. Трещинные воды создают значительные трудности при строительстве подземных сооружений.

Подземные воды в городе

В городах спрос на воду велик, но подземные водные ресурсы ограничены. Во многом процесс восстановления водных ресурсов зависит от состояния самой городской среды, её экологии. Этот немаловажный фактор отвечает не только за объём подземных водных ресурсов, но и за уровень их загрязнения.

В последние годы изучение грунтовых вод городских пространств входит в состав раздела гидрогеологии.

Проблемы, возникающие при взаимодействии грунтовых вод с городской средой это и загрязнение грунтовых вод через сточные трубы канализации, и понижение уровня подземных вод насосными системами, и угроза затопления грунтовыми водами подземных пространств городской среды (например, метро).

Сейчас вопрос о сохранении и защите грунтовых вод от загрязнения стоит особенно остро. Ведь именно от них во многом зависит стабильность развития большинства городов, что выводит проблему на уровень мирового масштаба.

Отталкиваясь от поставленных задач и основываясь на последних достижениях в области гидрогеологии, учёными разрабатываются новые схемы контроля и наблюдения за уровнем загрязнения грунтовых вод, их активностью в пределах подземного пространства городской среды.

И всё же, какую бы важную роль в процессе развития городского пространства не играла его связь с грунтовыми водами, совершенно очевидно, что в данном виде взаимодействия городской среде отведён удел внешнего ограничителя, нежели равноправного участника.

Многие города используют подземную воду, как питьевую. Все знают, что вода - это восполняемый ресурс, но в то же время сильно подверженный влиянию внешних факторов. Очень важно следить за уровнем грунтовых вод и степенью их загрязнения. Для стабильного развития городского пространства этот хрупкий баланс крайне важен. Халатное отношение к водным ресурсам приводит к весьма плачевным последствиям. Например, в Мехико постоянное снижение уровня грунтовых вод привело к просадке грунта, а затем и к экологическим проблемам.

Ресурсный потенциал подземных вод России составляет 869,1 млн. м 3 /сут и распределен по территории неравномерно, что определяется разнообразием геолого-гидрогеологических условий и климатическими особенностями.

На Европейской территории России его величина составляет 346,4 млн. м 3 /сут и изменяется от 74,1 млн. м 3 /сут в Центральном до 117,7 млн. м 3 /сут в Северо-Западном федеральных округах; на Азиатской территории России – 522,7 млн. м 3 /сут и колеблется от 159,2 млн. м 3 /сут в Дальневосточном до 250,9 млн. м 3 /сут в Сибирском федеральных округах.

Современная роль подземных вод в хозяйственно-питьевом водоснабжении населения Российской Федерации характеризуется следующими показателями. Доля подземных вод в балансе хозяйственно-питьевого водоснабжения (из поверхностных и подземных водоисточников) составляет 45%.

Более 60% городов и поселков городского типа удовлетворяют потребности в питьевой воде, используя подземные воды, а около 20% из них имеют смешанные источники водоснабжения.

В сельской местности на подземные воды в хозяйственно-питьевом водоснабжении приходится 80–85% общего водопотребления.

Наиболее сложной проблемой является обеспечение питьевой водой населения крупных городов. Около 35% крупных городов практически не имеют подземных источников централизованного водоснабжения, а для 37 городов вообще отсутствуют разведанные запасы подземных вод.

Степень использования подземных вод в хозяйственно-питьевом водоснабжении населения определяется как закономерностями распределения ресурсов подземных вод по территории России, так и проводимой многие годы политикой обеспечения населения питьевой водой путем приоритетного использования поверхностных вод.

В настоящее время отмечается низкий уровень использования разведанных месторождений подземных вод и их запасов. Средний уровень использования общих разведанных запасов составляет 18–20%, а в пределах эксплуатируемых месторождений с разведанными запасами – 30–32%.

За последние 5 лет прирост оцененных эксплуатационных запасов составил 6,8 млн. м 3 /сут.

Из подземных источников для удовлетворения питьевых нужд населения и водоснабжения объектов промышленности забрано 28,2 млн. м 3 /сут воды. Суммарная величина добычи и извлечения подземных вод составила 33,1 млн. м 3 /сут, без использования сброшено 5,9 млн. м 3 /сут (17,8% общей величины извлечения и добычи подземных вод).

Для хозяйственных нужд использовано 27,2 млн. м 3 /сут, в том числе: на хозяйственно-питьевое водоснабжение 20,6 млн. м 3 /сут (76%); производственно-техническое водоснабжение – 6,0 млн. м 3 /сут (22%); орошение земель и обводнение пастбищ – 0,5 млн. м 3 /сут (2%).

В результате извлечения и добычи подземных вод на отдельных территориях образовались крупные региональные депрессионные воронки, площади которых достигают значительных размеров (до 50 тыс. км 2), а снижение уровня в центре – до 65–130 м (города Брянск, Курск, Москва, Санкт-Петербург).

В г. Брянск региональная депрессионная воронка, образовавшаяся в верхнедевонском водоносном комплексе, имеет радиус более 150 км и понижение уровня более 80 м. Обширные воронки депрессии образовались в районе городов Курск и Железногорск и на Михайловском железорудном карьере. “Курская” депрессионная воронка в баткелловейском водоносном горизонте имеет радиус 90–115 км, снижение уровня в центре – 64,5 м. На Михайловском карьере воронка достигла 60–90 км в радиусе, уровень понизился с начала осушения карьера на 77,4 м.

В Московском регионе интенсивная эксплуатация подземных вод нижнекаменноугольного водоносного комплекса в течение 100 лет привела к формированию обширной глубокой воронки, площадь которой превышает 20 тыс. км 2 , а максимальное понижение уровня – 110 м. Многолетняя эксплуатация подземных вод гдовского водоносного горизонта в Санкт-Петербурге обусловила образование региональной депрессионной воронки общей площадью до 20 тыс. км 2 с понижением уровня до 35 м.

На территории России, по данным государственного мониторинга состояния недр МПР России, выявлено 4002 участка загрязнения, из них более 80% находится в грунтовых водоносных горизонтах, обычно не являющихся источниками питьевого водоснабжения населения.

По экспертным оценкам, в Российской Федерации доля загрязненных подземных вод не превышает 5–6% объема их использования для питьевого водоснабжения населения.

Наибольшее число участков загрязнения подземных вод расположено на территории следующих федеральных округов: Приволжского (30%), Сибирского (23%); Центрального (16%) и Южного (15%). Из общего количества участков загрязнения подземных вод:

§ на 40% загрязнение связано с промышленными предприятиями;

§ на 20% – с сельскохозяйственным производством;

§ на 9% – с жилищно-коммунальным хозяйством,

§ на 4% загрязнение происходит в результате подтягивания некондиционных природных вод при нарушении режима эксплуатации водозаборов;

§ на 10% загрязнение подземных вод “смешанное” и обусловлено деятельностью промышленных, коммунальных и сельскохозяйственных объектов;

§ для 17% участков источник загрязнения подземных вод не установлен.

Наиболее напряженная экологическая обстановка сложилась на участках загрязнения подземных вод веществами I класса опасности. Эти участки выявлены в районах отдельных крупных промышленных предприятий в следующих городах и поселках: Амурск (ртуть), Ачинск (фосфор), Байкальск (ртуть), Георгиевск (ртуть), Ессентуки (ртуть), Екатеринбург (фосфор), Искитим (бериллий), Новокузнецк (фосфор), Казань (бериллий, ртуть), Кисловодск (фосфор), Минеральные Воды (ртуть), Лермонтов (ртуть), Комсомольск-на-Амуре (бериллий), Магнитогорск (тетраэтилсвинец), Новосибирск (бериллий, ртуть), Саянск (ртуть), Свободный (ртуть), Усолье-Сибирское (ртуть), Хабаровск (бериллий, ртуть), Череповец (бериллий) и др.

Наибольшую экологическую опасность представляет загрязнение подземных вод, выявленное в отдельных скважинах на водозаборах питьевого водоснабжения.

» новыми видами воды. Сегодня в гостях — подземные воды . Мы поговорим про то, что такое подземные воды, откуда они берутся и куда деваются. По ходу развеем парочку общеобычных заблуждений на тему подземных вод.

Подземные воды — это собирательное название разнообразных залежей воды под землёй. Вода под землёй бывает пресная, очень пресная, солоноватая, солёная, сверхсолёная (например, в криопегах, которые мы затронули в статье «Разнообразие воды в мире «).

Общее для всех типов подземных вод: они располагаются над водонепроницаемым слоем почвы. Водонепроницаемый слой почвы — это грунт, который содержит большое количество глины (не пропускает воду) или грунт из сплошной скальной породы с минимальным количеством трещин.

Если выйти на улицу и расстелить на земле лист полиэтилена, то получится не что иное, как модель водонепроницаемого слоя почвы. Если налить на полиэтилен воду, то она соберётся во впадины, будет перетекать из более высоко расположенных мест в более низкие. Получится модель распределения подземных вод. А если в полиэтилене сделать несколько дырочек разного размера, получится модель проникновения верхних вод в нижележащие горизонты.

Точно так же запасы подземных вод образуются там, где водонепроницаемый слой создаёт углубления. Образуются подземные реки от более высоких углублений к более низким. В местах, где водонепроницаемый слой прерывается, верхние воды спускаются на нижний уровень.

В виде рисунка это можно представить так:

Теперь о том, откуда появляются подземные воды.

Основной источник: дождь. Дождь выпадает, впитывается в землю. Вода проникает через рыхлые верхние рыхлые слои почвы и скапливается в углублениях верхнего водонепроницаемого слоя земли. Этот тип воды называется «верховодка». Он сильно зависит от погоды — если дожди идут часто, вода есть. Если дожди идут реже, воды мало или нет вообще. Также это самый загрязнённый слой подземной воды, поскольку фильтрация через грунт была минимальной, и вода содержит всё — и нефтепродукты, и удобрения, и ядохимикаты и т.д. и т.п. Глубина залегания этого типа воды в основном от 2 до 10 метров.

Далее, в местах разрыва верхнего водонепроницаемого слоя дождевая вода попадает в более низкие водоносные горизонты. Их количество различно, глубина залегания также очень отличается. Так, верхняя граница начинается от 30 метров и может достигать 300 и глубже. Кстати, например, на Украине, частным лицам запрещено использовать воду глубже 300 метров, так как это — стратегический запас страны.

Интересная закономерность — чем глубже расположен водоносный горизонт, тем реже в нём встречаются места связи с более верхними слоями. Так, например, в пустыне Сахара используют подземные воды, которые попали под землю в Европе. Другая закономерность — чем вода глубже, тем она чище и тем менее она зависит от выпадения осадков.

Часто считается, что подземные воды расположены в пустотах. Это случается, но в основном подземные воды — это смесь песка, гравия, других минералов и большого количества воды.

Было сказано, откуда подземные воды берутся, как перемещаются, но не было сказано, куда они деваются. А деваются они либо ещё глубже под землю, либо изливаются на поверхность в виде родников, ключей, гейзеров, источников и прочих подобных явлений. Так, например, Днепр берёт своё начало из-под земли где-то в Белоруссии. Возле мыса Айа (Крым, недалеко от Севастополя), есть источник пресной воды, бьющий в море. Я сам не видел (он держится в тайне:), но ныряльщик рассказывал: ныряешь с бутылкой, открываешь её под водой горлышком вниз, туда набирается пресная вода.

Помимо естественных типов выхода подземных вод существуют и искусственные. Это скважины. И со скважинами связано такое интересное явление, как артезианские воды. Давно, во Франции, в Артезе, пробурили скважину в поисках воды. А вода стала бить из скважины фонтаном. То есть, артезианские воды — это такие воды, которые поднимаются из-под земли без помощи насосов. Таких случаев немного, чаще всего попадаются безнапорные скважины.

Итак, как и всё в природе, подземные воды имеют начало, изменение и конец — они попадают под землю с дождём, путешествуют под землёй из слоя в слой и в конце концов изливаются на поверхность.

Вспомните

• Что происходит с водой, выпавшей на землю с дождем? Через какие горные породы вода просачивается быстрее - пески или глины? Что такое родники (ключи)? Почему в роднике вода холодная даже летом?

Как образуются подземные воды. Вода в земной коре находится в трех состояниях: жидком, газообразном и твердом. Вода и водяной пар заполняют промежутки между частицами горных пород.

Вода в твердом состоянии - это кристаллики и прослойки льда в промерзших породах.

Подземные воды - это воды, находящиеся в горных породах земной коры.

Подземных вод намного больше, чем поверхностных вод суши - рек, озер, болот. Они возникают за счет просачивания в глубь земли атмосферных осадков. Важнейшее условие образования подземных вод - способность горных пород пропускать воду. Различают водопроницаемые и водонепроницаемые (водоупорные) породы (рис. 142).

Рис. 142. Водопроницаемость горных пород

Горные породы, которые пропускают воду, называются водопроницаемыми. Это рыхлые пористые (песок, галька, гравий) или твердые, но трещиноватые породы (известняк, песчаник, сланец). Чем крупнее частицы и поры, тем лучше водопроницаемость. Горные породы, не пропускающие воду, - водонепроницаемые, или водоупорные. Это глины или любые нерастрескавшиеся твердые породы.

Вода с поверхности просачивается через водопроницаемые породы до тех пор, пока не встречает на своем пути водоупорные слои. Здесь она задерживается, постепенно заполняя поры или трещины водопроницаемых пород. Пласты, насыщенные водой, образуют водоносные слои (рис. 143). Вода в них течет вниз по наклоненной поверхности водоупорного слоя.

Какими бывают подземные воды. Из-за чередования пород с разной водопроницаемостью в земной коре на разной глубине может быть несколько водоносных слоев. Рыхлые и пористые породы сменяются водоупорными, затем снова водопроницаемыми и вновь водоупорными. В зависимости от положения водоносных слоев различают грунтовые и межпластовые подземные воды (см. рис. 143).

Рис. 143. Подземные воды

Воды верхнего водоносного горизонта, расположенного на первом водоупорном слое, называются грунтовыми. Межпластовые воды располагаются между двумя водоупорными слоями. Сюда вода с поверхности попадает только через те места, где водоносные слои выходят на поверхность.

Глубина и толщина слоя грунтовых вод зависят от геологического строения территории, рельефа и климата. На равнинах с холодным и влажным климатом грунтовые воды могут подходить к самой поверхности, способствуя образованию болот. Если климат жаркий и сухой, грунтовые воды располагаются на большой глубине. Глубина слоя грунтовых вод может меняться по сезонам года. В России весной грунтовые воды располагаются ближе к поверхности, а летом - дальше от нее.

В пористых породах недр величайшей пустыни мира Сахары имеются огромные запасы подземных пресных вод. Их так много, что они могут обеспечить потребности всех стран, расположенных на территории пустыни. Однако эти воды залегают на глубине 150-200 м от поверхности.

Грунтовые воды часто выходят на поверхность, образуя источники (родники, ключи) в понижениях рельефа: речных долинах, оврагах. Межпластовые воды добывают с помощью специально пробуренных скважин. Иногда вода бьет через скважину фонтаном. Такие воды называют артезианскими (рис. 144).

Рис. 144. Артезианские воды

Артезианские воды образуются в вогнутых слоях горных пород. Вода оказывается здесь под большим давлением, поэтому она фонтанирует при вскрытии скважины.

Не все подземные воды пресные. Некоторые из них содержат много растворенных веществ и газов. Такие воды называют минеральными. На больших глубинах в толще земной коры возрастает температура. Поэтому здесь подземные воды становятся теплыми и даже горячими.

Если толщи земной коры сложены легко растворимыми породами (известняками, гипсом, солями), то подземные воды вымывают в них многочисленные пустоты, полости, пещеры (рис. 145). Такое явление природы, а также формы рельефа на поверхности и в толщах горных пород называются карстом.

Рис. 145. Формы карста

Вода не просто создает карстовые пещеры. Она украшает их живописными каменными «скульптурами». Из капель, просачивающихся с потолка пещер, как сосульки, нарастают вниз сталактиты. Из капель, падающих на пол пещеры, снизу постепенно растут столбики - сталагмиты. Эти формы иногда срастаются друг с другом в единые колонны.

Вопросы и задания

1. Откуда вода попадает в толщу земной коры?
2. Назовите виды подземных вод.
3. Что такое источник? Где он образуется?
4. Где образуются карстовые пещеры?