Подземные воды: запасы, добыча, значение и проблемы. Подземные воды Характер подземных вод

Тема: Основные разновидности подземных вод. Условия формирования. Геологическая деятельность подземных вод

2. Основные типы подземных вод.

1. Классификация подземных вод.

Подземные воды весьма разнообразны по химическому составу, температуре, происхождению, назначению и т. д. По общему содержанию растворенных солей они делятся на четыре группы: пресные, солоноватые, соленые и рассолы. Пресные воды содержат менее 1 г/л растворенных солей; солоноватые воды - от 1 до 10 г/л; соленые - от 10 до 50 г/л; рассолы - более 50 г/л.

По химическому составу растворенных солей подземные воды делятся на гидрокарбонатные, сульфатные, хлоридные и сложного состава (сульфатные гидрокарбонатные, хлоридные гидрокарбонатные и т.д.).

Воды, имеющие лечебное значение, называются минеральными. Минеральные воды выходят на поверхность в виде источников или выводятся на поверхность искусственно с помощью буровых скважин. По химическому составу, газоносности и температуре минеральные воды делят на углекислые, сероводородные, радиоактивные и термальные.

Углекислые воды широко распространены на Кавказе, Памире, в Забайкалье, на Камчатке. Содержание углекислого газа в углекислых водах колеблется от 500 до 3500 мг/л и более. Газ присутствует в воде в растворенном виде.

Сероводородные воды также распространены довольно широко и связаны в основном с осадочными породами. Общее содержание сероводорода в воде обычно невелико, однако лечебное действие сероводородных вод настолько значительно, что содержание Н2 более 10 мг/л уже придает им лечебные свойства. В отдельных случаях содержание сероводорода достигает 140-150 мг/л (например, известные источники Мацесты на Кавказе).

Радиоактивные воды делятся на радоновые, содержащие радон, и радиевые, содержащие соли радия. Лечебное действие радиоактивных вод очень высоко.

По температуре термальные воды делятся на холодные (ниже 20°С), теплые (20-30°С), горячие (37-42°С) и очень горячие (свыше 42°С). Они распространены в областях молодого вулканизма (на Кавказе, Камчатке, в Средней Азии).

2. Основные типы подземных вод

По условиям залегания выделяют следующие типы подземных вод:

· почвенные;

· верховодка;

· грунтовые;

· межпластовые;

· карстовые;

· трещинные.

Почвенные воды располагаются у поверхности и заполняют пустоты в почве. Влага, содержащаяся в почвенном слое, называется почвенными водами. Передвигаются они под действием молекулярных, капиллярных сил и сил тяжести.

В поясе аэрации выделяют 3 слоя почвенных вод:

1. почвенный горизонт переменной влажности - корнеобитаемый слой. В нем совершается обмен влагой между атмосферой, почвой и растениями.

2. подпочвенный горизонт, часто сюда «промокание» не доходит и он остается «сухим».

горизонт капиллярной влаги - капиллярная кайма.

Верховодка - временное скопление подземных вод в близповерхностном слое водоносных отложений в пределах зоны аэрации, лежащих на линзовидном, выклинивающемся водоупоре.

Верховодка - безнапорные подземные воды, залегающие наиболее близко к земной поверхности и не имеющие сплошного распространения. Образуются за счёт инфильтрации атмосферных и поверхностных вод, задержанных непроницаемыми или слабо проницаемыми выклинивающимися пластами и линзами, а также в результате конденсации водяных паров в горных породах. Характеризуются сезонностью существования: в засушливое время они нередко исчезают, а в периоды дождей и интенсивного снеготаяния возникают вновь. Подвержены резким колебаниям в зависимости от гидрометеорологических условий (количества атмосферных осадков, влажности воздуха, температуры и др.). К верховодке относятся также воды, временно появляющиеся в болотных образованиях вследствие избыточного питания болот. Нередко верховодка возникает в результате утечек воды из водопровода, канализации, бассейнов и др. водонесущих устройств, следствием чего может быть заболачивание местности, подтопление фундаментов и подвальных помещений. В области распространения многолетнемёрзлых горных пород верховодка относится к надмерзлотным водам. Воды верховодке обычно пресные, слабоминерализованные, но часто бывают загрязнены органическими веществами и содержат повышенные количества железа и кремнекислоты. Верховодка, как правило, не может служить хорошим источником водоснабжения. Однако при необходимости принимаются меры для искусственного сохранения: устройство прудов; отводы из рек, обеспечивающие постоянным питанием эксплуатируемые колодцы; насаждение растительности, задерживающей снеготаяние; создание водоупорных перемычек и т.п. В пустынных районах путём устройства канавок на глинистых участках - такырах, атмосферные воды отводятся в прилегающий участок песков, где создаётся линза верховодке, представляющая собой некоторый запас пресных вод.

Грунтовые воды залегают в виде постоянного водоносного горизонта на первом от поверхности, более или менее выдержанном, водонепроницаемом слое. Грунтовые воды имеют свободную поверхность, которая называется зеркалом, или уровнем, грунтовых вод.

Межпластовые воды заключены между водоупорными слоями (пластами). Межпластовые воды, находящиеся под напором, называются напорными, или артезианскими. При вскрытии скважинами артезианские воды поднимаются выше кровли водоносного пласта и, если отметка напорного уровня (пьезометрическая поверхность) превышает отметку поверхности Земли в данном пункте, то вода будет изливаться (фонтанировать). Условная плоскость, определяющая положение напорного уровня в водоносном пласте (см. рис. 2), называется пьезометрическим уровнем. Высота подъема воды выше водоупорной кровли называется напором.

Артезианские воды залегают в водопроницаемых отложениях, заключенных между водонепроницаемыми, полностью заполняют пустоты в пласте и находятся под напором. Установившийся в скважине УВ называют пьезометрическим, который выражается в абсолютных отметках. Самоизливающиеся напорные воды имеют локальное распространение и больше известны у садоводов как «ключи». Геологические структуры, к которым приурочены артезианские водоносные горизонты, называются артезианскими бассейнами.

Рис. 1. Типы подземных вод: 1 - почвенные; 2 - верховодка; 3 - грунтовые; 4 ~ межпластовые; 5 - водонепроницаемый горизонт; 6 - водопроницаемый горизонт

Рис. 2. Схема строения артезианского бассейна:

1 - водонепроницаемые породы; 2 - водопроницаемые породы с напорной водой; 4 - направление стока подземных вод; 5 – скважина.

Карстовые воды залегают в карстовых пустотах, образовавшихся за счет растворения и выщелачивания горных пород.

Трещинные воды заполняют трещины горных пород и могут быть как напорными, так и безнапорными.

3. Условия образования грунтовых вод

Грунтовые воды являются первым от поверхности земли постоянным водоносным горизонтом . Около 80% сельских населенных пунктов используют для водоснабжения грунтовые воды. ГВ издавна используются для орошения.

Если воды пресные, то при глубине залегания 1- 3 м они служат источником увлажнения почв. При высоте 1-1,2 м они могут вызывать заболачивание. Если грунтовые воды сильно минерализованы, то при высоте 2,5 - 3,0 м они могут вызвать вторичное засоление почв. Наконец, грунтовые воды могут затруднять проходку строительных котлованов, подпаливать застроенные территории, агрессивно воздействовать на подземные части сооружений и т.д.

Подземные воды формируются разными способами. Часть из них образуется в результате просачивания атмосферных осадков и поверхностных вод по порам и трещинам горных пород . Такие воды называются инфильтрационными (слово "инфильтрация" обозначает просачивание).

Однако существование подземных вод не всегда можно объяснить инфильтрацией атмосферных осадков. Например, в районах пустынь и полупустынь выпадает очень мало осадков, причем они быстро испаряются. Вместе с тем даже в пустынных областях на некоторой глубине присутствуют подземные воды. Образование таких вод можно объяснить лишь конденсацией водяных паров в почве . Упругость водяного пара в теплое время года в атмосфере больше, чем в почве и горных породах, поэтому пары воды непрерывно поступают из атмосферы в почву и формируют там подземные воды. В пустынях, полупустынях и сухих степях вода конденсационного происхождения в знойное время является единственным источником влаги для растительности.

Подземные воды могут формироваться за счет захоронения вод древних морских бассейнов совместно с накапливающимися в них осадками . Воды этих древних морей и озер могли сохраниться в захороненных осадках, а затем просачиваться в окружающие породы или выходить на поверхность Земли. Такие подземные воды носят название седиментационных вод .

Часть подземных вод по происхождению может быть связана с остыванием расплавленной магмы . Выделение водяных паров из магмы подтверждается образованием облаков и ливней при извержениях вулканов. Подземные воды магматического происхождения называются ювенильными (от лат. "ювеналис" - девственный). Как считает океанолог X. Райт, обширные водные пространства, которые существуют в настоящее время, "вырастали капля за каплей на протяжении всей жизни нашей планеты за счет воды, просачивающейся из недр Земли".

Условия залегания, распространения и образования ГВ зависят от климата, рельефа, геологического строения, влияния рек, почвенного и растительного покрова, от хозяйственных факторов.

а) Связь ГВ с климатом.

В образовании горных вод важная роль принадлежит осадкам и испаряемости.

Чтобы проанализировать изменение этого соотношения, целесообразно воспользоваться картой обеспеченности растений влагой. По отношению осадков к испаряемости выделены 3 зоны (области):

1. достаточного увлажнения

2. недостаточного

3. незначительного увлажнения

В первой зоне сосредоточены основные площади переувлажненных земель, требующие осушения (в отдельные периоды здесь необходимо увлажнение). Области недостаточного и незначительного увлажнения нуждаются в искусственном увлажнении.

В трех областях питания ГВ осадками и теплоты их в зону аэрации различны.

В области достаточного увлажнения инфильтрационное питание грунтовых вод при глубине залегания более 0,5 - 0,7 м преобладает над тепловым их в зону аэрации. Эта закономерность наблюдается в невегетационный и в вегетационный периоды, за исключением сильно засушливых лет.

В области недостаточного увлажнения соотношение инфильтрации осадков с испарением ГВ при неглубоком залегании их различно в лесостепной и степной зонах.

В лесостепях в суглинистых породах во влажные годы инфильтрация преобладает над тепловым ГВ в зону аэрации, в засушливые годы - соотношение обратное. В степной зоне в суглинистых породах в невегетационый период инфильтрационное питание преобладает над тепловым ГВ, а в вегетационный период - меньше расхода. В целом за год инфильтрационное питание начинает преобладать над тепловым грунтовых вод.

В области незначительного увлажнения - в полупустынях и пустынях - инфильтрация в суглинистых породах при неглубоком залегании УГВ несоизмеримо мала по сравнению с расходом в зону аэрации. В песчаных породах инфильтрация начинает увеличиваться.

Таким образом, питание ГВ за счет осадков уменьшается, а расход в зону аэрации возрастает с переходом от области достаточного к области незначительного увлажнения.

б) Связь грунтовых вод с реками.

Формы связи грунтовых вод с реками определяются рельефом и геоморфологическими условиями.

Глубоко врезанные речные долины служат приемником грунтовых вод, дренируя прилегающие земли. Напротив при небольшом врезе, свойственном низовьям рек, реки питают грунтовые воды.

Различные случаи соотношения поверхностных и грунтовых вод показаны на схеме.

Принципиальная расчетная схема взаимодействия подземных и поверхностных вод в условиях изменчивости поверхностного стока.

а - межень; б - восходящая фаза половодья; в - нисходящая фаза половодья.

в) Связь грунтовых вод с напорными.

Если между грунтовыми водами и нижележащим напорным горизонтом нет абсолютноводонепроницаемого слоя, то между ними возможны следующие формы гидравлической связи:

1) УГВ выше уровня напорных вод, вследствие чего возможно перетекание ГВ в напорные.

2) Уровни практически совпадают. При снижении УГВ, например, дренами, будет происходить подпитывание ГВ напорными.

3) УГВ периодически превышают уровень напорных вод (во время поливов, осадков), в остальное время ГВ подпитываются осадками.

4) УГВ постоянно ниже УНВ, поэтому последние подпитывают грунтовые воды.

Грунтовые воды могут получать питание из артезианских вод и через так называемые гидрогеологические окна - участки, где нарушается сплошность водоупорного пласта.

Возможно подпитывание УВ напорными через тектонические разломы .

Гидродинамические зоны ГВ, определяемые рельефом и геологическим строением, тесно связаны с геоструктурными условиями территории. Зоны высокой дренированности свойственны горным и предгорным областям. Зоны низкой дренированности характерны для прогибов и впадин платформенных равнин.

Зональность питания ГВ наиболее отчетливо проявляется в зоне низкой дренированности аридных областей. Она заключается в последовательном увеличении минерализации ГВ с удалением от источника питания реки, канала и др. Поэтому в засушливых районах колодцы для водоснабжения обычно размещают вдоль каналов, рек.

4. Условия образования и залегания артезианских вод.

Артезианские воды образуются при определенном геологическом строении - чередовании водопроницаемых пластов водоупорными. Они приурочены в основном к синклинально или моноклинально залегающим свитам пластов.

Площадь развития одного или нескольких артезианских пластов называется артезианским бассейном. АБ могут занимать от нескольких десятков до сотен тысяч км 2 .

Источники питания напорных вод - осадки, фильтрационные воды рек, водохранилищ, оросительных каналов и др. Напорные воды в определенных условиях пополняются грунтовыми водами.

Расходование их возможно путем разгрузки их в речные долины, выхода на поверхность в форме родников, медленного высачивания через пласты, заключающие напорный слой, с перетеканием в грунтовые воды. Отбор АВ для водоснабжения и орошения также составляют статьи их расходования.

В артезианских бассейнах различают области питания, напора и разгрузки.

Область питания - площадь выхода артезианского пласта на поверхность земли, где происходит его питание. Она располагается на самых высоких отметках рельефа артезианского бассейна в горных областях и водоразделах и т.д.

Область напора - основная площадь распространения артезианского бассейна. В ее пределах подземные воды обладают напором.

Область разгрузки - площадь выхода напорных вод на поверхность - открытая разгрузка (в форме восходящих родников или площадь скрытой разгрузки, например в русле рек и т.д.)

Скважины, вскрывающие АВ фонтанируют, это пример искусственной разгрузки напорных вод.

В пластах, содержащих гипсы, ангидриды, соли, артезианские воды имеют повышенную минерализацию.

Типы и зональность артезианских вод

Артезианские бассейны обычно типизируют по геоструктуре водовмещающих и водоупорных пород.

По этому признаку выделяют два типа артезианских бассейнов (по Н.И. Толстихину):

1. артезианские бассейны платформ, характеризующиеся обычно весьма значительной площадью развития и наличием нескольких напорных водоносных горизонтов (это Московский, Прибалтийский, Днепро-Донецкий и др.)

2. артезианские бассейны складчатых областей, приуроченные к интенсивно дислоцированным осадочным, магматическим и метаморфическим породам. Отличаются меньшей площадью развития. Примеры - Ферганский, Чуйский и др. бассейны.

5. Геологическая деятельность подземных вод.

Подземные воды проводят разрушительную и созидательную работу. Разрушительная деятельность подземных вод проявляется главным образом в растворении водорастворимых горных пород, чему способствует содержание в воде растворенных солей и газов. Среди геологических процессов, обусловленных деятельностью ПВ, прежде всего следует называть карстовые явления.

Карст.

Карстом называется процесс растворения горных пород передвигающимся в них подземным и просачивающимся поверхностными водами. В результате карста в породах образуются пещеры и пустоты различной формы и размера. Протяженность их может достигать многих километров.

Из карстовых систем наибольшую протяженность имеет Мамонтова пещера (США), общая длина ходов которой составляет около 200 км.

Карсту подвержены соленосные породы, гипсы, ангидриды и карбонатные породы. Соответственно и различают карст: соляной, гипсовый, карбонатный. Развитие карста начинается с расширения (под влиянием выщелачивания) трещин. Карст обуславливает специфические формы рельефа. Главная особенность его - наличие карстовых воронок диаметром от нескольких до сотен метров и глубиной до 20 - 30 м. Карст развивается тем интенсивнее, чем больше выпадает осадков и чем больше скорость движения подземных потоков.

Районы, подверженные карсту, характеризуются быстрым поглощением осадков.

В пределах массивов закарстованных пород выделяют зоны нисходящего движения воды и горизонтального - в сторону речных долин, моря и т.д.

В карстовых пещерах наблюдаются натечные образования преимущественного карбонатного состава - сталактиты (нарастающие вниз) и сталагмиты (растущие снизу). Карст ослабляет горные породы, снижает их количество как основание для ГТС. По карстовым пустотам возможна значительная утечка воды из водохранилищ и каналов. И в то же время подземные воды, заключенные в закарстованных породах, могут быть ценным источником для водоснабжения и орошения.

К разрушительной деятельности подземных вод относится суффозия (подкапывание) - это механический вынос мелких частиц из рыхлых пород, который приводит к образованию пустот. Такие процессы могут наблюдаться в лессах и лессовидных породах. Кроме механической различают химическую суффозию, примером которой является карст.

Созидательная работа подземных вод проявляется в отложении ими различных соединений, цементирующих трещины в горных породах.

Контрольные вопросы:

1 Дайте классификацию подземных вод.

2. При каких условиях образуются грунтовые воды?

3. При каких условиях образуются артезианские грунтовые воды?

4. В чем проявляется геологическая деятельность подземных вод?

5. Назовите основные типы подземных вод.

6. Как влияет верховодка на строительство?

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

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

Не все подземные воды – грунтовые. Отличие грунтовых вод от других видов подземной воды состоит в условиях их залегания в толще горных пород.

Название «подземные воды» говорит само за себя – это вода, которая находится в под землей, то есть в земной коре, в верхней ее части, причем находиться там она может в любом из своих агрегатных состояний – в виде жидкости, льда или газа.

Основные классы подземных вод

Подземная вода бывает разная. перечисли основные виды подземных вод.

Почвенная вода

Почвенная вода содержится в почве, заполняя промежутки между ее частицами, или поровое пространство. Почвенная вода может быть свободной (гравитационной) и подчиняться только силе тяжести, и связанной, то есть удерживаться силами молекулярного притяжения.

Грунтовая вода

Грунтовая вода и ее подвид, называемый верховодкой – это ближайший к поверхности земли водоносный горизонт, залегающий на первом водоупоре. (Водоупор, или водоупорный слой грунта - это почвенный слой, который практически не пропускает воду. Фильтрация сквозь водоупор или очень низкая, или же слой полностью водонепроницаем – например, толщи скальных грунтов). Грунтовая вода крайне непостоянна по многим факторам, и именно грунтовая вода влияет на условия строительства, диктует выбор фундамента и технологии при проектировании сооружений. Дальнейшая эксплуатация созданных руками человека построек также находится под неустанным влиянием меняющегося поведения грунтовой воды.

Межпластовая вода

Межпластовая вода – находится ниже грунтовой воды, под первым водоупором. Эта вода ограничена двумя водоупорными слоями и может находиться между ними под значительным давлением, заполняя водоносный горизонт полностью. Отличается от грунтовой воды большим постоянством своего уровня, и конечно, большей чистотой, причем чистота межпластовой воды может быть следствием не только фильтрации.

Артезианская вода

Артезианская вода – так же, как и межпластовая, заключена между слоями водоупоров и находится там под давлением, то есть относится к напорным водам. Глубина залегания артезианских вод – примерно от ста до тысячи метров. Различные геологические подземные структуры, мульды, впадины и т.п., располагают к образованию подземных озер – артезианских бассейнов. Когда такой бассейн вскрывается при бурении шурфов или скважин, артезианская вода под давлением поднимается выше своего водоносного пласта и может дать очень мощный фонтан.

Минеральная вода

Минеральная вода - интересна для строителя, наверное, только в одном случае, если ее источник окажется на участке, хотя и не вся эта вода полезна для человека. Минеральная вода – это вода, содержащая растворы солей, биологически активных веществ и микроэлементы. Состав минеральной воды, ее физика и химия - очень сложный, это система коллоидов и связанных и несвязанных газов, и вещества в этой системе могут находится как недиссоциированными, в виде молекул, так и в виде ионов.

Грунтовые воды

Грунтовые воды – это первый от поверхности почвы постоянный водоносный горизонт, находящийся на первом водоупоре. Поэтому поверхность этого слоя – свободна, за редкими исключениями. Иногда над потоками грунтовых вод встречаются участки плотных пород – водонепроницаемая кровля.

Залегают грунтовые воды недалеко от поверхности, и поэтому очень зависят от погоды на поверхности земли – от количества атмосферных осадков, движения поверхностных вод, уровня водоемов, все эти факторы влияют на питание подземной воды. Особенность и отличие грунтовой воды от других видов – она безнапорная. Верховодка, или скопления воды верхнего водонасыщенного грунтового слоя над водоупорами из глин и суглинков с малой фильтрацией – это разновидность грунтовой воды, проявляющаяся временно, по сезонам.

На грунтовую воду и непостоянство ее состава, поведения и мощности горизонта влияют как природные факторы, так и деятельность человека. Горизонт грунтовой воды непостоянный, он зависит от свойств горных пород и их водосодержания, близости водоемов и рек, климата местности – температуры и влажности, связанных с испарением и т. далее.

Но серьезное и все более опасное влияние на грунтовую воду оказывает человеческая деятельность – мелиорация и гидротехническое строительство, подземные работы по добыче полезных ископаемых, нефти и газа. Не менее результативной в контексте опасности стала агротехника с применением минеральных удобрений, пестицидов и ядохимикатов, и конечно, промышленные стоки.

Грунтовая вода очень доступна, и если роют колодец или бурят скважину – то в большинстве случаев получают именно грунтовую воду. И свойства ее могут оказаться весьма негативны, поскольку эта водичка зависит от чистоты почвы и служит ее показателем. Все заражения от канализационных протечек, свалок, пестициды с полей, нефтепродукты и прочие результаты деятельности человека попадают в грунтовые воды.

Грунтовая вода и проблемы для строителей

Морозное пучение грунтов находится в прямой и непосредственной зависимости от присутствия грунтовой воды. Разрушения от сил морозного пучения могут быть огромны. При замерзании глинистые и суглинистые грунты получают питание в том числе и от нижнего водоносного горизонта, и в результате этого подсоса могут образовывать целые прослойки из льда.

Давление на подземные части сооружений может достигать огромных величин – 200 Мпа, или 3,2 тн/см2 далеко не предел. Сезонные подвижки грунтов на десятки сантиметров нередки. Возможные последствия действия сил морозного пучения, если их не предусмотрели или учли недостаточно, могут быть: выталкивание фундаментов из земли, затопление подвалов, разрушение дорожных покрытий, затопление и размывание траншей и котлованов и много еще разного негатива.

Кроме физического влияния, грунтовые воды способны разрушать фундаменты и химически, все зависит от степени их агрессивности. При проектировании эта агрессивность исследуется, проводятся как геологические, так и гидрологические изыскания.

Влияние грунтовых вод на бетон

Агрессивность грунтовых вод к бетону различают по типам, рассмотрим их ниже.

По общекислотному показателю

При водородном числе рН менее 4 агрессивность к бетону считают наибольшей, при значении рН более 6,5 – наименьшей. Но малая агрессивность воды вовсе не отменяет необходимости защиты бетона устройством гидроизоляции. Кроме того, имеется сильная зависимость влияния агрессии воды от видов бетона и его вяжущего, в том числе от марки цемента.

Выщелачивающие, магнезиальные и углекислотные воды

Все так или иначе разрушают бетон или способствуют процессу разрушения.

Сульфатные воды

Сульфатные воды относят к наиболее агрессивным к бетону. Ионы сульфатов проникают в бетон и реагируют с соединениями кальция. Образующиеся кристаллогидраты вызывают вспучивание и разрушение бетона.

Методы минимизации рисков от грунтовых вод

Но даже в тех случаях, когда имеется информация о неагрессивности грунтовых вод к бетону в данной местности, отмена устройства гидроизоляции подземных частей здания чревата хорошим уменьшением срока службы бетонных конструкций. Слишком большое влияние оказывают на природу, в том числе грунтовую воду и степень ее агрессии техногенные факторы. Возможность близкого строительства – это одна из причин подвижек грунта и как следствие, изменения поведения грунтовых вод. А химия и ее «накопление», в свою очередь, находится в прямой зависимости от близости сельскохозяйственных угодий.

Учет уровня грунтовых вод, а также сезонных изменений этого уровня – для частной стройки архиважен. Высокая грунтовая вода - это ограничение в выборе. От нее зависит если не вся, то огромная доля экономики индивидуального строителя. Без учета поведения и высоты грунтовой воды нельзя выбирать тип фундамента для дома, принимать решения о возможности устройства подвала и подвального помещения, устраивать погреба и канализационный септик. Дорожки, площадки и все благоустройство участка, включая и озеленение, также требуют на стадии проектирования серьезнейшего учета влияния грунтовой воды. Дело осложняется тем, что ее поведение находится в тесной связи со структурой и видами грунтов на участке. Воду и грунты надо изучать и рассматривать в комплексе.

Верховодка, как разновидность грунтовой воды, может создавать огромные проблемы, и не всегда сезонные. Если у вас песчаные грунты, а дом построен на высоком берегу реки, то сезонных верховодок вы можете и не заметить, вода уйдет быстро. Но если рядом озеро или река, и дом стоит на низком берегу, то даже при наличии песочка в основании участка вы будете на одном уровне с водоемом – как сообщающиеся сосуды, и в этом случае борьба с верховодкой вряд ли будет успешной, как и любая борьба с природой.

В случае, когда грунт – не песок, водоемы и реки далеко, но грунтовая вода очень высокая, ваш вариант – это создание эффективной дренажной системы. Каким будет ваш дренаж - кольцевым, пристенным, пластовым, самотечным или с использованием откачивающих насосов, решается индивидуально, и учесть надо многие факторы. Для этого надо иметь информацию о геологии участка.

В некоторых случаях дренаж не поможет, например, если вы находитесь в низине, а мелиорационного канала поблизости нет и воду отводить некуда. Также не всегда под первым водонесущим слоем оказывается безнапорный слой, в который возможно отвести верховодку, эффект от бурения скважины может быть и обратный – вы получите ключ или фонтан. В случаях, когда устройство дренажа не принесет результата, прибегают к устройству искусственных насыпей. Поднять участок на уровень, где грунтовые воды не достанут вас и ваш фундамент - затратное экономически, но иногда единственно верное решение. Каждый случай индивидуален, и решения хозяин принимает исходя из гидрогеологии своего участка.

Но в очень многих случаях вопрос решается именно дренажом, и важно правильно выбрать его систему и грамотно организовать водоотвод.

Узнать уровень грунтовой воды у себя на участке и отслеживать его изменения – с этими вопросами владельцы индивидуальных участков справляются самостоятельно. Весной и осенью обычно УГВ выше, чем зимой и летом, это связано с интенсивным снеготаянием, сезонностью атмосферных осадков, возможно с затяжными дождями в осенний период. Узнать уровень грунтовой воды можно, измерив его в колодце, шурфе или скважине, от водяного зеркала до поверхности грунта. Если пробить несколько скважин у себя на участке, по его границам, то несложно отследить сезонные изменения УГВ, а на полученных данных возможно принимать решения по строительству - начиная от выбора фундамента и систем водоотвода, и заканчивая планированием огородных посадок, разбивки сада, благоустройством, а также разработкой ландшафтного дизайна.

Среди вод суши наибольшие запасы приходятся на подземные воды, общие запасы которых составляют 60 млн км 3 . Подземные воды могут находиться в жидком, твердом, парообразном состоянии. Они располагаются в почве и в горных породах верхней части земной коры.

Способность горных пород пропускать воду зависит от размеров и количества пор, пустот, трещин.

По отношению к воде все горные породы подразделяют на три группы: водопроницаемые (хорошо пропускают воду), водонепроницаемые (задерживают воду) и растворимые.

Растворимые породы - это калийная и поваренная соли, гипс, известняк. Когда подземные воды растворяют их, на глубине образуются большие пустоты, пещеры, воронки, колодцы (это явление называется карстом).

Водопроницаемые породы можно подразделить на две категории: проницаемые во всей их массе (однородно проницаемые) и относительно проницаемые (полупроницаемые). Примерами хорошо проницаемых горных пород служат галечники, гравий, песок. К полупроницаемым относятся мелкозернистый песок, торф и др.

Кроме этого, водопроницаемые породы могут быть влагоемкими и не влагоемкими.

Невлагоемкие породы - это горные породы, которые свободно пропускают воду, не насыщаясь ею. Это, например, пески, галечник и др.

Влагоемкие - это горные породы, которые удерживают в себе какое-то количество воды (например, один кубический метр торфа удерживает свыше 500 л воды).

К водонепроницаемым горным породам относятся глины, массивные кристаллические и осадочные породы. Однако эти породы могут быть разбиты трещинами и в естественных условиях стать проницаемыми.

Слои водонепроницаемых пород, над которыми залегают водоносные породы, называют водоупорными.

На водоупорных породах просачивающаяся вниз вода задерживается и заполняет промежутки между частицами вышележащей водопроницаемой породы, образуя водоносный горизонт.

Слои водопроницаемых пород, которые содержат воду, называются водоносными.

На равнинах, сложенных осадочными горными породами, обычно чередуются водопроницаемые слои и водоупорные.

Подземные воды залегают слоями (рис. 1). Их можно разделить на три горизонта:

Верхний горизонт — это пресные воды, залегающие на глубине от 25 до 350 м.
Средний горизонт - воды, залегающие на глубине от 50 до 600 м. Они обычно минеральные, или соленые.
Нижний горизонт — вода, нередко погребенная, в высокой степени минерализованная, представлена рассолами. Залегает на глубине от 400 до 3000 м.

Глубокие горизонты вод могут быть ювенильным и (магматического происхождения) или реликтовыми. Вода нижних горизонтов в большинстве случаев образовалась в период формирования заключающих их осадочных пород.

По условиям залегания подземные воды подразделяют на почвенные, верховодку и воды насыщения — грунтовые и межпластовые (рис. 2).

Почвенные воды и верховодка

Почвенные воды заполняют часть промежутков между частицами почвы. Они необходимы для нормальной жизни растений.

Верховодка залегает неглубоко, существует временно, малообильна. В наших климатических условиях она появляется весной после таяния снега, иногда осенью.

Рис. 1. Слои подземных вод

Рис. 2. Виды вод по условиям

Грунтовые воды

Грунтовые воды образуют водоносный горизонт на первом от поверхности водоупорном слое. Поверхность грунтовых вод называется зеркалом грунтовых вод. Расстояние от зеркала грунтовых вод до водоупорного слоя называют мощностью водоупорного слоя.

Грунтовые воды питаются просочившимися атмосферными осадками, водами рек, озер, водохранилищ.

В связи с неглубоким залеганием от поверхности уровень грунтовых вод испытывает значительные колебания по сезонам года: он то повышается после выпадения осадков или таяния снега, то понижается в засушливое время. В суровые зимы грунтовые воды могут промерзать.

Так как глубина залегания грунтовых вод определяется прежде всего климатическими условиями, в разных природных зонах она различна. Так, в тундре уровень грунтовых вод практически совпадает с поверхностью, а в полупустынях находится на глубине 60-100 м, причем не повсеместно, и эти воды не обладают достаточным напором.

Большое влияние на глубину залегания грунтовых вод оказывает степень расчлененности рельефа территории. Чем она сильнее, тем глубже находятся грунтовые воды.

Грунтовые воды значительно подвержены загрязнению.

Межпластовые воды

Межпластовые воды — нижележащие водоносные горизонты, заключенные между двумя водоупорными слоями. В отличие от грунтовых уровень межпластовых вод более постоянен и меньше изменяется во времени. Межпластовые воды более чистые, чем грунтовые.

Особую группу подземных вод составляют напорные межпластовые воды. Они полностью заполняют водоносный горизонт и находятся под давлением. Напором обладают все воды, заключенные в слоях, залегающих в вогнутых тектонических структурах.

Вскрытые скважинами и поднимающиеся вверх, они изливаются на поверхность или фонтанируют. Так устроены артезианские колодцы (рис. 3).

Рис. 3. Артезианский колодец

Химический состав подземных вод неодинаков и зависит от растворяемости прилегающих пород. По химическому составу различают пресные (до 1 г солей на 1 л воды), слабоминерализованные (до 35 г солей на 1 л воды) и минерализованные (до 50 г солей на 1 л воды) подземные воды. При этом верхние горизонты подземных вод обычно пресные или слабоминерализованые, а нижние горизонты могут быть сильноминерализованными. Минеральные воды по своему составу могут быть углекислыми, щелочными, железистыми и т. д. Многие из них имеют лечебное значение.

Температура подземных вод

По температуре подземные воды подразделяются на холодные (до +20 °С) и термальные (от +20 до +1000 °С). Термальные воды обычно отличаются высоким содержанием различных солей, кислот, металлов, радиоактивных и редкоземельных элементов.

Естественные выходы подземных вод (обычно грунтовых) на поверхность земли называется источниками (родниками, ключами). Они образуются обычно в пониженных местах, где земную поверхность пересекают водоносные горизонты.

Источники бывают холодными (с температурой воды не выше 20 °С), теплыми (от 20 до 37 °С) и горячими, или термальными (свыше 37 °С). Периодически фонтанирующие горячие источники называются гейзерами. Они находятся в областях недавнего или современного вулканизма (Исландия, Камчатка, Новая Зеландия, Япония).

Значение и охрана подземных вод

Подземные воды имеют большое значение в природе: являются важнейшим источником питания , болот; растворяют различные вещества в породах и переносят их; при их участии формируются карстовые и оползневые формы рельефа; при близком залегании к поверхности могут вызывать процессы заболачивания; снабжают растения влагой и растворенными в них элементами питания и т. д. Они широко используются человеком: являются источниками чистой питьевой воды; применяются для лечения целого ряда заболеваний человека; обеспечивают производственный процесс водными ресурсами; используются для орошения полей; из термальных вод получают большое количество различных химических веществ (йод, гауберову соль, борную кислоту, различные металлы); тепловая энергия подземных вод может служить для обогрева зданий, теплиц, получения электроэнергии и др.

На сегодняшний день во многих регионах состояние подземных вод оценивается как критическое и имеющее опасную тенденцию дальнейшего ухудшения. Несмотря на то что запасы подземных вод велики, возобновляются они крайне медленно, и это необходимо учитывать при их расходовании. Не менее важна и охрана подземных вод от загрязнений.

Подземные воды (причем не только поверхностные, но и глубинные) вслед за другими элементами окружающей среды испытывают загрязняющее влияние хозяйственной деятельности человека: от предприятий гор но-добываю щей промышленности, хранилищ химических отходов и удобрений, свалок, животноводческих комплексов, населенных пунктов и др. Среди загрязняющих подземные воды веществ преобладают: нефтепродукты, фенолы, тяжелые металлы (медь, цинк, свинец, кадмий, никель, ртуть), сульфаты, хлориды, соединения азота. Площади очагов загрязнения подземных вод достигают сотен квадратных километров. Происходит ухудшение качества питьевой воды.

Страница 1 из 6

– это воды, находящиеся ниже земной поверхности и содержащиеся в водовмещающих осадочных породах верхнего слоя земной коры и в почве.

Подземные воды – запасы подземных вод, ресурсы подземных вод.

Являются частью гидросферы планеты (2 % от объема) и участвуют в общем круговороте воды в природе. Запасы подземных вод еще до конца не разведаны. Сейчас в официальных данных фигурирует цифра в 60 млн кубических километров, но гидрогеологи уверены в том, что в недрах Земли находятся колоссальные неразведанные месторождения подземных вод и общее количество воды в них может исчисляться сотнями миллионами кубометров.

Подземные воды встречаются в буровых скважинах на глубине до нескольких километров. В зависимости от условий, в которых залегают подземные воды (таких как температура, давление, виды горных пород и т.п.), они могут быть в твердом, жидком и газообразном состоянии. По данным В.И. Вернадского, подземные воды могут существовать до глубины 60 км в связи с тем, что молекулы воды даже при температуре 2000 о С диссоциированы всего на 2%.

О запасах подземной воды читайте: Океаны воды под землей. Сколько же воды на Земле?

При оценке подземных вод, кроме понятия «запасы подземных вод» используется термин «ресурсы подземных вод», характеризующий питание водоносного горизонта.

Классификация запасов и ресурсов подземных вод:

1. Естественные запасы – объем гравитационной воды, заключенной в порах и трещинах водовмещающих пород. Естественные ресурсы – количество подземных вод, поступающих в водоносный горизонт в естественных условиях путем инфильтрации атмосферных осадков, фильтрации из рек , перетекания из выше- и нижерасположенных водоносных горизонтов.

2. Искусственные запасы — это объем подземных вод в пласте, сформировавшийся в результате орошения, фильтрации из водохранилищ, искусственного пополнения подземных вод. Искусственные ресурсы – это расход воды, поступающей в водоносный горизонт при фильтрации из каналов и водохранилищ, на орошаемых площадях.

3. Привлекаемые ресурсы – это расход воды, поступающей в водоносный пласт при усилении питания подземных вод, вызванном эксплуатацией водозаборных сооружений.

4. Понятия эксплуатационные запасы и эксплуатационные ресурсы являются, в сущности, синонимами. Под ними понимается то количество подземных вод, которое может быть получено рациональными в технико-экономическом отношении водозаборными сооружениями при заданном режиме эксплуатации и при качестве воды, удовлетворяющем требованиям в течение всего расчетного срока водопотребления.

www.whymap.org – полная версия карты запасов подземных вод.

Синие области на карте – территории, богатые грунтовыми водами,
Коричневые – зоны, где ощущается нехватка подземных пресных вод.

Как видно по карте, Россия относится к числу стран со значительными запасами подземных вод. Недостатка в подземных водах также не испытывают Бразилия и страны Центральной и Южной Африки, где проливные тропические ливни способствуют круглогодичному пополнению запасов подземных вод. Но не везде на земном шаре запасы подземных вод являются возобновимыми. Например, в Северной Африке и на Аравийском полуострове резервуары подземных вод заполнились 10 000 лет назад, когда в этом районе был более влажный климат.

Во всем мире запасы подземных вод активно используются, но в некоторых странах подземные воды являются практически единственным источником водопотребления.

В Евросоюзе уже 70% всей воды, используемой водопотребителями, берётся из подземных водоносных слоёв.
В засушливых странах вода практически полностью берётся из подземных источников (Марокко – 75%, Тунис – 95%, Саудовская Аравия и Мальта – 100%)

Подземные воды — химический состав подземных вод.

Химический состав подземных вод неодинаков и зависит от растворяемости прилегающих пород. Подземные воды представляют собой природные растворы, содержащие свыше 60 химических элементов, а также микроорганизмы. Сумма растворенных в воде веществ, исключая газы, определяет её минерализацию (выражаемую в г/л или мг/л).

По химическому составу различают следующие виды подземных вод:

— пресные (до 1 г солей на 1 л воды),
— слабоминерализованные (до 35 г солей на 1 л воды),
— минерализованные (до 50 г солей на 1 л воды).

При этом верхние горизонты подземных вод обычно пресные или слабоминерализованые, а нижние горизонты могут быть сильноминерализованными.

Подземные воды, которые благодаря своим физико-химическим свойствам оказывают благотворное физиологическое воздействие на организм людей и используются для лечебных целей, называются минеральными. Химический состав минеральных вод весьма разнообразный: бывает углекислая вода (Кисловодск и другие курорты района Кавказских Минеральных вод, Боржоми, Карлови-Вари и др.), азотная (Цхал-тубо), сероводородная (Мацеста), железистая, радоновая и др.

По степени общей минерализации выделяют воды (по В.И. Вернадскому):

пресные (до 1 г/л),
солоноватые (1 -10 г/л),
соленые (10-50 г/л),
рассолы (более 50 г/л) — в ряде классификаций принято значение 36 г/л, соответствующее средней солёности вод Мирового океана.

В бассейнах Восточно-Европейской платформы мощность зоны пресных подземных вод варьирует от 25 до 350 м, солёных вод - от 50 до 600 м, рассолов - от 400 до 3000 м.

Приведенная классификация указывает на значительные изменения в минерализации воды – от десятков миллиграммов до сотен граммов на 1 литр воды. Максимальная величина минерализации, достигающая 500 – 600 г/л, встречена в последнее время в Иркутском бассейне.

Более подробно о химическом составе подземных вод, химических свойствах подземных вод, классификации по химическому составу, факторах, влияющих на химический состав подземных вод, и других аспектах читайте в отдельной статье: Химический состав подземных вод.

Подземные воды — происхождение и образование подземных вод.

В зависимости от происхождения подземные воды бывают:

1) инфильтрационные,
2) конденсационные,
3) седиментогенные,
4) «ювенильные» (или магмогенные),
5) искусственные,
6) метаморфогенные.

Подземные воды — температура подземных вод.

По температуре подземные воды бывают:

Холодные подземные воды подразделяются на:

переохлажденные (ниже 0°С),
холодные (от 0 до 20 °С)

Термальные подземные воды подразделяются на:

теплые (20 – 37 °С),
горячие (37 – 50 °С),
очень горячие (50 – 100 °С),
перегретые (свыше 100 °С).

Температура подземных вод зависит также и от глубины залегания водоносных пластов:

1. Грунтовые воды и неглубоко залегающие межпластовые воды испытывают сезонные колебания температуры.
2. Подземные воды, залегающие на уровне пояса постоянных температур , сохраняют неизменную температуру в течение всего года, равную среднегодовой температуре местности.

Там, где средние годовые температуры отрицательные , подземные воды в поясе постоянных температур круглый год находится в виде льда. Так образуется многолетняя мерзлота («вечная мерзлота»).
В районах, где среднегодовая температура положительная , подземные воды пояса постоянных температур, наоборот, не замерзают даже зимой.

3. Подземные воды, циркулирующие ниже пояса постоянной температуры , нагреты выше среднегодовой температуры местности и за счёт эндогенного тепла. Температура вод в данном случае определяется величиной геотермического градиента и достигает максимальных значений в областях современного вулканизма (Камчатка, Исландия и др.), в зонах срединно-океанических хребтов, достигая температур 300-4000С. Высокотермальные подземные воды в районах современного вулканизма (Исландия, Камчатка) используются для отопления жилищ, строительства геотермальных электростанций, тепличного теплоснабжения и т. д.

Подземные воды — методы поиска подземных вод.

геоморфологическая оценка местности,
геотермические исследования,
радонометрия,
бурение разведочных скважин,
изучение керна, извлечённого из скважин, в лабораторных условиях,
опытные откачки из скважин,
наземная разведочная геофизика (сейсморазведка и электроразведка) и каротаж скважин

Подземные воды – добыча подземных вод.

Важной особенностью подземных вод как полезного ископаемого является непрерывный характер водопотребления, что вызывает необходимость постоянного отбора воды из недр в заданном количестве.

При определении целесообразности и рациональности добычи подземных вод учитываются следующие факторы:

Общие запасы подземных вод,
Ежегодное поступление воды в водоносные горизонты,
Фильтрационные свойства водовмещающих пород,
Глубина залегания уровня,
Технические условия эксплуатации.

Таким образом, даже при условии больших запасов подземной воды и значительном ежегодном ее поступлении в водоносные горизонты, добыча подземных вод не всегда является рациональной с экономической точки зрения.

Например, нерациональным будет добыча подземных вод в следующих случаях:

очень маленькие дебиты скважин;
сложность эксплуатации в техническом отношении (пескование, солеотложение в скважинах и др.);
отсутствие необходимого насосного оборудования (например, при эксплуатации агрессивных промышленных или термальных вод).

Высокотермальные подземные воды в районах современного вулканизма (Исландия, Камчатка) используются для отопления жилищ, строительства геотермальных электростанций, тепличного теплоснабжения и т. д.

В этой статье мы рассмотрели тему Подземные воды: общая характеристика. Далее читайте: