Классификации подземных вод отражают разнообразие условий их распространения, залегания и формирования, а также особен-ности состава и свойств (В.И. Вернадский, Ф.П. Саваренский,Н.И. Толстихин, Е.В. Пиннекер и др.).
Наиболее полной является классификация, разработанная А.М. Овчинниковым, которая отражает основные типы и подтипы подземных вод и геометрию фильтрационных сред.
Почвенные воды . В почвенном слое содержится влага, назы-ваемая почвенными водами. К ним относится: гигроскопическая, рыхло связанная, капиллярная (поднятая, подвешенная, стыковая) вода. Эти воды, передвигающиеся под действием молекулярных, капиллярных сил и реже сил тяжести, во многом определяют пло-дородие почв. Небольшие постоянные скопления воды образуются лишь в почвах болотного типа; они характеризуются большим со-держанием органических веществ и микроорганизмов.
В почвоведении выделяют следующие виды увлажнения почвы: атмосферное, грунтово-атмосферное, грунтово-атмосферное с до-полнительным поверхностным питанием и грунтово-атмосферное с дополнительным паводковым питанием.
В соответствии с балансом влаги (соотношением между ее по-ступлением и уходом (испарение и отток)) выделяют различные типы водного режима почв с разными значениями коэффициента увлажнения К у: мерзлотный (К у ≥1); промывной (К у > 1, тайга, лес, лесостепь — почвы дерново-подзолистые, лесные, черноземы); непромывной (К у < 1, сухие степи, полупустыни — каштановые почвы, сероземы).
В почвенном разрезе (2,0—2,5 м) выделяют горизонты: поч-венный — корнеобитаемый слой; подпочвенный, куда в некоторых зонах «промокание» не доходит; капиллярной каймы. Геологи-ческая деятельность почвенных вод незначительна, однако агроно-мическое значение этих вод огромно, так как почвенная влага не-обходима для выращивания сельскохозяйственных культур.
Гравитационные подземные воды сосредоточены главным об-разом в зоне насыщения, где они образуют различные по условиям залегания и питания водоносные горизонты и системы водоносных горизонтов (комплексы, этажи, бассейны).
В зоне аэрации свободные гравитационные воды могут образо-вывать временно существующие водоносные горизонты, называ-емые верховодкой.
В зоне насыщения распространены грунтовые и межпластовые напорные или безнапорные подземные воды.
Взаимоотношения и связи верховодки, грунтовых и напорных вод могут быть самыми разнообразными, что зависит от геолого-структурных, геоморфологических, тектонических, литологи-ческих, климатических и других факторов и условий. Общая схема их взаимного расположения в разрезе показана на рис.ниже.
Верховодка — это горизонт, который формируется за счет не-больших скоплений в зоне аэрации вод временного, сезонного ха-рактера, имеющих гидравлическую связь с почвенными водами и залегающих на невыдержанных водонепроницаемых и слабопро-ницаемых слоях вблизи поверхности земли. Зимой она промерзает, а летом пересыхает. Верховодка всегда усложняет инженерно-гео-логические условия строительства, поскольку может быть не заме-чена при изысканиях. Иногда режим верховодки характеризуется относительной устойчивостью, и тогда ее воды используются для местного водоснабжения (например, в Тульской, Калужской и Смоленской областях используются воды, содержащиеся в пок-ровных суглинках водоразделов).
Схема соотношения верховодки, грунтовых и напорных вод
1 — верховодка; 2 — грунтовые воды; 3 — напорные воды; УВ — уровень верховодки; УГВ — уровень грунтовых вод; ПУНВ — пьезометрический уровень напорных вод; стрелками показано направление движения подземных вод
Возникают верховодки вследствие просачивания с поверхности атмосферных осадков, поверхностных и оросительных вод и на-копления их на линзах и прослойках слабопроницаемых пород, иг-рающих роль местных водоупоров. Верховодки обычно залегают неглубоко и расположены в разрезе выше постоянных горизонтов грунтовых вод. Их воды расходуются в основном на испарение, транспирацию и питание грунтовых вод.
Особенности верховодки как своеобразного типа подземных вод:
- расположение в пределах пород зоны аэрации;
- временный характер, сезонность (обычно в периоды интенсив-ного выпадения атмосферных осадков и утечек воды из раз-личных систем);
- ограниченность распространения (локальный характер пред-определяется локальным распространением водоупоров);
- резкая зависимость ее запасов, режима и качества от климати-ческих условий и хозяйственной деятельности человека;
- легкая загрязняемость и непригодность для постоянного водо-снабжения.
Накопление верховодки происходит весной при оттаивании почвы и уменьшении мерзлого слоя; осенью — после периода дли-тельных дождей. Необходимым условием задержания влаги в по-родах должно быть переслаивание проницаемых и слабопроница-емых пород. Например, погребенные горизонты почв должны зале-гать в толще лёссов, линзы размытой глинистой морены — среди флювиогляциальных песчаных отложений, линзы и карманы суг-линистых отложений — среди аллювиальных песков и т.д.
Обычно верховодка встречается в суглинках и лёссовидных от-ложениях на водораздельных плато. В районах распространения многолетней мерзлоты верховодка (воды сезонно-талого слоя) весьма своеобразна и широко распространена. Воды верховодки не имеют связи с реками. Уровень ее характеризуется крайней из-менчивостью. В районах больших городов эти воды легко загрязня-ются. Для гидротехнического и гражданского строительства ее при-сутствие неблагоприятно.
По химическому составу воды верховодки неодинаковы: прес-ные и слабоминерализованные с повышенным содержанием крем- некислоты, органического вещества и железа в северных районах и обычно минерализованные в южных районах (из-за испарения). При бурении скважин для целей водоснабжения верховодку необ-ходимо тщательно изолировать при помощи обсадных труб во из-бежание загрязнения ею лежащих ниже водоносных горизонтов.
Грунтовые воды. К грунтовым водам относятся подземные воды первого от поверхности постоянно действующего водоносного го-ризонта, залегающего на относительно выдержанном водоупоре и имеющего свободную поверхность.
Сверху грунтовые воды обычно не перекрыты водоупорными отложениями, поэтому они имеют тесную связь с атмосферой и давление на их поверхности равно атмосферному давлению, т.е. поверхность фунтовых вод при вскрытии их скважинами уста-навливается в них на той глубине, где они были встречены. Не-редко поэтому грунтовые воды называют безнапорными (в отличие от напорных, имеющих избыточный напор над перекрывающей их водоупорной кровлей).
Условия залегания грунтовых вод на первом от поверхности вы-держанном водоупоре предопределяют особенности их питания, распространения, движения и разгрузки. Области питания и рас-пространения грунтовых вод совпадают, т.е. их питание через зону аэрации осуществляется по всей площади их распространения. По-этому расход потока грунтовых вод является величиной переменной (как правило, увеличивается по пути их движения). Основными ис-точниками питания грунтовых вод являются атмосферные осадки, поверхностные и конденсационные воды. Грунтовые воды имеют тесную гидравлическую связь с поверхностными водотоками и во-доемами и в зависимости от соотношения их уровней либо разгру-жаются в них (дренируются), обеспечивая их подземное питание, либо питаются поверхностными водами (особенно при подпорах и в паводки). При изменении уровня воды в поверхностных водо-емах изменяется уровень в гидравлически с ними взаимосвязанных горизонтах фунтовых вод.
Различные соотношения между поверхностными и грунтовыми водами
а — связь между водами отсутствует; б — река питает грунтовые воды; в — грун-товые воды питают реку; г — один берег реки питает грунтовые воды, а другой — дренирует. Стрелками показно направление движения вод, пунктиром — уровень
Характерна также тесная зависимость режима уровней, качества и количества грунтовых вод от климатических факторов, процессов, протекающих в зоне аэрации, и инженерной деятельности человека (повышение уровней и запасов в дождливое время и понижение их в засуху, ухудшение качества вод при инфильтрации сточных вод).
Грунтовые воды разгружаются в виде источников, пластовых выходов, мочажин в местные понижения и поверхностные водо-токи и водоемы. При залегании близко к поверхности (0-4 м) они могут разгружаться путем испарения через зону капиллярной каймы. На отдельных участках возможна гидравлическая взаимо-связь грунтовых вод с лежащими ниже напорными водами через
отдельные литологические окна и участки размыва разделяющих их водоупорных толщ. При этом в зависимости от соотношения уровней взаимосвязанных горизонтов будет происходить либо пи-тание, либо разгрузка грунтовых вод.
Грунтовые воды движутся от мест с их более высоким уровнем к местам с их пониженным уровнем, обычно от участков с повы-шенным рельефом и водоразделов в сторону местных понижений, оврагов, балок и речных долин. Разгружаются грунтовые воды в этих понижениях обычно в виде нисходящих источников. По-верхность грунтовых вод (зеркало), как правило, в несколько сгла-женном виде соответствует рельефу местности. При этом гидравли-ческие уклоны поверхности грунтовых вод обычно невелики и со-ставляют в среднем 0,05—0,001. На отдельных участках уровень грунтовых вод может быть практически горизонтальным, что сви-детельствует о незначительной скорости их фильтрации либо о полном ее отсутствии.
Наглядное представление об условиях распространения и дви-жения грунтовых вод дает карта гидроизогипс , на которой показано положение поверхности грунтовых вод в изолиниях, соединяющих точки с одинаковыми отметками уровня подземных вод. Строят такую карту аналогично карте рельефа земной поверхности в гори-зонталях, используя результаты единовременных замеров уровня грунтовых вод во всех имеющихся скважинах, колодцах и в их есте-ственных выходах.
Если наблюдается резкое изменение уровня грунтовых вод в различные периоды, то карты гидроизогипс составляют на эти ха-рактерные периоды и даты (например, когда уровень грунтовых вод бывает максимальным и минимальным). Для получения данных об изменении данного уровня проводят специальные наблюдения их режима (так называемые режимные наблюдения).
Карта гидроизогипс позволяет определять:
- направление движения грунтовых вод (по нормалям к гидроизо-гипсам);
- гидравлические уклоны и скорость фильтрации;
- глубину залегания грунтовых вод (по разности отметок горизон-талей поверхности Земли и гидроизогипс водной поверхности);
- характер взаимосвязи грунтовых вод с поверхностными (по ха-рактеру сопряжения гидроизогипс с поверхностными водоемами и направлению движения подземных вод)
и решать другие практические задачи.
Нередко на основе карты гидроизогипс составляют карту глу-бины залегания грунтовых вод (в изолиниях равных глубин или с вы-делением зон определенной глубины залегания грунтовых вод).
Такие карты широко используют при бурении скважин для целей водоснабжения, орошения и осушения.
Грунтовые воды распространены повсеместно там, где темпера-турные условия верхней части литосферы допускают их накопление и существование в жидкой фазе. Изучение условий их формиро-вания и распространения показало, что существуют определенные закономерности зонального распределения различных по проис-хождению типов грунтовых вод.
Грунтовые воды имеют большое народнохозяйственное зна-чение: их широко используют для целей хозяйственно-питьевого и сельскохозяйственного водоснабжения и орошения. Основными типами широко используемых грунтовых вод являются грунтовые воды речных долин, ледниковых отложений, степей, полупустынь и пустынь, конусов выноса и предгорных наклонных равнин, горных районов, песчаных морских побережий.
В гидрогеологии определение грунтовых вод часто дается по С.Н. Никитину, который к этой категории относит только воды первого от поверхности земли выдержанного горизонта подземных вод, залегающего на водоупоре.
Разновидности подземных вод, залегающих вблизи поверхности земли под невыдержанным водоупором, называют водами меж- пластовыми, закрытыми или подземными (например, подземные воды предгорных конусов выноса или ледниковых отложений).
Особенности грунтовых вод следующие:
- залегание вблизи поверхности земли в рыхлых отложениях из-менчивой мощности, преимущественно четвертичного возраста, дренируемых реками или вскрываемых эрозионной сетью;
- если пласт первый от поверхности и не полностью насыщен водой, то воды ненапорные, а если пласт перекрыт невыдержан-ными по мощности слоями разной проницаемости, то воды обычно напорные;
- область питания совпадает с областью распространения, и пи-тание происходит за счет инфильтрации атмосферных осадков и снеговых вод; фильтрации из рек, озер и каналов; конден-сации водяных паров и внутри грунтового испарения; подтока (подпитывания) из более глубоких водоносных горизонтов;
- глубина залегания уровня, температура, минерализация и расход грунтовых вод подвержены систематическим суточным, ме-сячным, годовым и многолетним колебаниям;
- подземный сток грунтовых вод обычно направлен от водораз-делов к речным долинам, где осуществляется их разгрузка в реки;
- режим грунтовых вод (инфильтрация и боковой приток, отток и испарение, а также баланс, условия формирования и стока)
обычно тесно связан с современным климатом, рельефом и по-верхностными водами.
Межпластовые безнапорные воды . Эти воды, как и грунтовые, имеют свободную поверхность, давление на которой равно атмос-ферному, но залегают они обычно между двумя водоупорными тол-щами.
Из-за этого межпластовые воды питаются на ограниченных участках (в областях выхода водовмещающих отложений на поверх-ность, на участках их взаимосвязи с поверхностными водотоками и напорными водами) и находятся в более благоприятных сани-тарных условиях, чем незащищенные с поверхности фунтовые воды.
В периоды интенсивного выпадения осадков и половодий уровни межпластовых вод могут повышаться вплоть до появления избыточных напоров над перекрывающей их водоупорной кровлей, тогда межпластовые безнапорные воды могут становиться напор-ными водами .
Таким образом, межпластовые безнапорные воды являются как бы промежуточным типом подземных вод — по гидравлическому характеру они безнапорные и аналогичны грунтовым водам, однако по условиям залегания близки к напорным водам.
Артезианские воды и бассейны . Под Парижем, в предместье Артуа, в 1126 г. неожиданно при бурении скважин были вскрыты фонта-нирующие воды, которые получили название артезианских вод. В первое время артезианскими водами называли только воды, фон-танирующие выше поверхности земли, — «водометы», позднее этим понятием стали объединять все межпластовые напорные воды, залегающие в тектонических структурах, вогнутых или наклонных пластах, поднимающиеся над кровлей пласта в стволе скважины.
Для образования артезианских вод необходимы следующие условия:
- обилие атмосферных осадков в области питания, т.е. приурочен-ность ее к поясу избыточного увлажнения;
- породы области питания должны выходить на поверхность выше пунктов заложения скважин, т.е. необходимы наклон и изогну-тость пластов, обусловливающие гидравлический, артезианский напор;
- оптимальные возможности водопоглощения, наличие хорошо проницаемых почв, в зоне аэрации — малое количество и не-большая мощность глинистых водоупорных горизонтов и толщ;
- наличие в области распространения или напора выдержанной глинистой кровли;
- высокая пористость, трещиноватость и водопроницаемость во-довмещающих пород.
Грунтовые и межпластовые ненапорные воды
1 — грунтовые воды; 2 — межпластовые ненапорные воды; 3 — разгрузка грун¬товых вод в виде источников; W — инфильтрационное питание; УГВ — уровень грунтовых вод; УМНВ — уровень межпластовых ненапорных вод
Отличительная черта артезианских вод — это наличие избыточ-ного напора над поверхностью кровли водосодержащего пласта. При вскрытии напорных вод горными выработками их уровень под действием избыточного напора поднимается и устанавливается выше водоупорной кровли, соответственно положению пьезометрической поверхности напорного водоносного горизонта.
Схема артезианского бассейна
а — область питания; б — область напора; в — область разгрузки; г — область воз-можного самоизлива напорных вод; 1,2 — пьезометрический уровень напорных вод первого горизонта; 3 — восходящий источник; 4 — участок возможной гидрав-лической взаимосвязи напорных горизонтов (гидрогеологическое «окно»); 5 — на-порные водоносные горизонты
Величину напора обычно определяют по положению пьезомет-рического уровня водоносного горизонта относительно горизон-тальной плоскости сравнения О — О. Напорные воды располо-жены, как правило, ниже горизонтов грунтовых вод и характеризу-ются своеобразными условиями залегания, распространения, питания и разгрузки. Наличие водоупорной кровли, перекрыва-ющей водоносный пласт, затрудняет питание и разгрузку напорных вод и их взаимосвязь с поверхностными водами и атмосферой.
Питание напорных водоносных горизонтов оказывается воз-можным лишь в области выхода водопроницаемого пласта на по-верхность, где создаются условия для проникновения в пласт путем инфильтрации атмосферных осадков и поверхностных вод. Как уже говорилось, эта область, имеющая меньшие размеры, чем область распространения напорных вод, называется областью питания . Она обычно расположена на наиболее высоких отметках, нередко на значительном удалении от областей распространения и раз-грузки напорных вод.
В области питания подземные воды имеют свободную поверх-ность и тесную гидравлическую взаимосвязь с поверхностными во-дами. Область, в пределах которой подземные воды имеют избы-точный над перекрывающей их водоупорной кровлей напор, назы-вается областью напора (или областью распространения напорных вод). В этой области подземные воды, как правило, не получают питания по пути их движения (так как они изолированы в разрезе водоупорами) и расход их не изменяется. На отдельных участках возможен самоизлив напорных вод при вскрытии их скважинами там, где отметки пьезометрического уровня превышают отметки земной поверхности.
Разгрузка напорных вод происходит в области их выхода на по-верхность (на пониженных по сравнению с областью питания участках), а также на участках естественного (реки, овраги, балки и т.п.) и искусственного (скважины, колодцы, шахты, карьеры и т.п.) вскрытия напорных вод.
В естественных условиях напорные воды, разгружаясь, образуют восходящие источники, ключи, грифоны и т.п., питают реки и другие поверхностные водоемы. Движутся напорные воды в на-правлении от областей питания к областям разгрузки. Интенсив-ность их движения уменьшается по мере увеличения глубины и удаления от областей питания.
Положение пьезометрической поверхности напорных вод ха-рактеризуется картой пьезоизогипс (гидроизопьез), которая состав-ляется аналогично карте гидроизогипс грунтовых вод и представ-ляет собой систему изолиний, соединяющих точки с одинаковыми отметками пьезометрического уровня. На карты пьезоизогипс на-носят также изолинии отметок поверхности кровли и подошвы рас-сматриваемого напорного горизонта, что облегчает решение многих практических задач. Например, по карте пьезоизогипс определяют направления движения напорных вод, гидравлические уклоны, на-поры, участки возможного самоизлива вод. Если известны мощ-ность напорного горизонта и его фильтрационные свойства, то можно определить скорость фильтрации подземных вод и расход потока.
Напорные воды, изолированные от атмосферы (связь имеется лишь в области питания и разгрузки), характеризуются меньшей зависимостью их режима от климатических факторов, относи-тельным постоянством уровней температуры и химического со-става, меньшей загрязненностью и лучшим санитарным качеством воды. Поэтому их можно использовать для различных видов водо-снабжения (хозяйственно-питьевого, производственно-техничес-кого, лечебно-питьевого, термального и др.) и орошения. При экс-плуатации высоконапорных вод, находящихся в пластах под значи-тельным давлением, большое практическое значение имеют их упругие запасы, высвобождающиеся из водоносных пластов при частичном снятии давления благодаря разуплотнению ранее сжатых пород и воды. Несмотря на незначительную сжимаемость воды и горных пород, упругие запасы напорных вод довольно велики, так как содержащие их водонапорные системы занимают значи-тельные пространства.
В реальных природных условиях схема распространения, пи-тания и разгрузки напорных вод зависит от геолого-структурных, тектонических, литологических, климатических и других особен-ностей того или иного района. В частности, напорные воды могут питаться и разгружаться на участках, где возможна их гидравли-ческая взаимосвязь с соседними напорными и безнапорными водо-носными горизонтами через литологические гидрогеологические «окна», тектонические нарушения и участки с размывом разделя-ющих их водоупорных отложений.
Их интенсивная разгрузка возможна также на участках, где на-порные воды вскрываются карьерами, котлованами, шахтами, во-дозаборными сооружениями, а в естественных условиях — через русловые и донные отложения рек, озер, морей (скрытая разгрузка). Пласты с напорными водами могут соединяться друг с другом или выклиниваться (исчезать), что обеспечивает своеобразные условия накопления и распространения напорных вод.
Напорные воды часто называют артезианскими, а вмещающие их геологические структуры (мульды, синклинали, моноклинали, впадины и др.) — артезианскими бассейнами.
В пределах артезианского бассейна могут иметься один или не-сколько напорных водоносных горизонтов или комплексов, взаи-мосвязанных или изолированных друг от друга водоупорными от-ложениями. Положение пьезометрических поверхностей, входящих в состав бассейна напорных водоносных горизонтов, зависит от вы-сотного расположения областей их питания и разгрузки, а также от степени гидравлической взаимосвязи напорных горизонтов.
Пьезометрическая поверхность глубоко залегающих водоносных горизонтов в значительной мере определяется геостатическим дав-лением толщи вышележащих отложений. Значительно более вы-сокие давления в центральных частях бассейнов, чем в краевых, могут вызывать движение подземных вод от центральных частей к краевым, т.е. к периферийным областям питания артезианских бассейнов.
Своеобразные бассейны напорных вод встречаются в пред-горных и горных районах, где имеются моноклинальное залегание и выклинивание водовмещающих отложений, способствующие об-разованию так называемых артезианских склонов.
Схема артезианского склона
а — область питания; 6 — область напора; в — область разгрузки; 7 — свободный уровень подземных вод в области питания; 2 — пьезометрический уровень под¬земных вод в области напора; 3 — источники нисходящего и восходящего типов в области разгрузки
Формирующиеся в области питания артезианского склона под-земные воды разгружаются в виде источников восходящего и нис-ходящего типов в непосредственной близости от области питания. Напорный характер воды артезианского склона имеют в зоне их пе-рекрытия водоупорными отложениями. Гипсометрически область напора находится на более низких абсолютных отметках, чем об-ласть разгрузки. В артезианских бассейнах с интенсивным движе-нием подземных вод распространены, как правило, пресные ин- фильтрационные воды с невысокой минерализацией (зона интен-сивного водообмена) . Мощность зоны интенсивного водообмена в благоприятных условиях может составлять 1000 м и более.
В крупных артезианских бассейнах с небольшими по площади областями питания пресные воды приурочены к неглубоко залега-ющим водоносным горизонтам и комплексам. В более глубоко за-легающих горизонтах, не охваченных интенсивным водообменом, широко распространены минерализованные и высокоминерализо-ванные подземные воды различного состава (гидрокарбонатно-сульфатные, сульфатные, сульфатно-хлоридные). Обычно эту зону называют зоной затрудненного водообмена.
В артезианских бассейнах с неблагоприятными условиями водо-обмена (незначительная разница в высотном положении областей питания и разгрузки, глубокое залегание и широкое региональное распространение напорных вод, закрытый характер водовмеща-ющих структур и т.д.) ниже этой зоны находится зона весьма за-трудненного водообмена , в пределах которой в водоносных гори-зонтах сохраняются седиментационные древние воды (воды мор-ского происхождения). Таким образом, для артезианских бассейнов характерны определенные гидродинамическая и гидрохимическая зональности. Наличие и мощность каждой из зон и их взаимное расположение зависят от конкретных условий бассейна и совокуп-ности факторов, определяющих формирование, накопление, дви-жение и расходование подземных вод.
Напорные воды артезианских бассейнов имеют большое прак-тическое значение не только как источник водоснабжения. В зави-симости от их химического и газового состава, наличия в них био-логически активных и промышленных микрокомпонентов, их тем-пературы и других показателей напорные подземные воды широко используют в курортно-санаторном деле (минеральные воды), для промышленного извлечения солей и ценных микрокомпонентов (промышленные воды), для целей теплофикации, теплоэнергетики и теплично-парникового хозяйства (термальные воды). Примерами крупных артезианских бассейнов платформенного типа являются Западно-Сибирский, Московский, Прибалтийский, Днепровско- Донецкий и др.
Поровые воды — это воды, которые насыщают пористые породы (галечники, пески, слабо сцементированные песчаники, супеси, суглинки и т.п.). Количество воды, которое можно извлечь из таких пород в единицу времени, т.е. их дебит, зависит от гранулометри-ческого состава, структуры и типа пористости породы, которые определяют скорость подтока воды к колодцу или скважине. Чем больше пор в горных породах, тем быстрее откачивается из им* вода, так как ее движение происходит свободнее. Скорость дни жения подземного потока обычно достигает в лёссе и суглинистыч породах 0,1—0,3 м/сут, в супесях и мелкозернистых песках — 0,5—1,0 м/сут, в грубозернистых песках и мелком галечнике — от 1,5 до 10 м/сут.
Немалую часть водных запасов Земли составляют подземные бассейны, которые протекают в толще почвы и слоях горных пород. Огромные скопления подземных вод - озера, которые вымывают залежи пород и почву, образуя котлованы.
Значение грунтовой жидкости велико не только для природы, но и для человека. Поэтому исследователи проводят регулярные гидрологические наблюдения за ее состоянием и количеством, все глубже изучают, что такое подземная вода. Определение, классификация и остальные вопросы темы будут рассмотрены в статье.
Что такое подземная вода?
Подземная вода - это вода, располагающаяся в межслоевых пространствах горных пород, залегающих в верхнем слое земной коры. Такая вода может быть представлена в любом агрегатном состоянии: жидком, твердом и газообразном. Чаще всего подземные воды - это тонны текучей жидкости. Вторые по распространенности - это глыбы ледников, которые сохранились еще с периода вечной мерзлоты.
Классификация
Подразделение подземных вод на классы зависит от условий их залегания:
- почвенные;
- грунтовые;
- межпластовые;
- минеральные;
- артезианские.
Помимо перечисленных видов, разделяются подземные воды на классы, зависящие от уровня слоя, в котором они расположены:
- Верхний горизонт - подземные воды пресного содержания. Как правило, их глубинное нахождение невелико: от 25 до 350 м.
- Средний горизонт - это место залегания минеральной или соленой жидкости на глубине от 50 до 600 метров.
- Нижний горизонт - глубина от 400 до 3000 метров. Вода с повышеным содержанием минералов.
Подземная вода, располагающаяся на больших глубинах, по возрасту может быть молодой, то есть недавно появившейся, или реликтовой. Последняя могла закладываться в подземных слоях вместе с грунтовыми породами, в которых она "размещена". Или же образовалась реликтовая подземная вода от многолетней мерзлоты: ледники таяли - жидкость скапливалась и сохранялась.
Почвенные воды
Почвенная вода - это жидкость, которая залегает в верхнем слое земной коры. Преимущественно она локализуется в пространственных пустотах между частичками почв.
Если понять, что такое подземная вода почвенного вида, становится очевидным тот факт, что эта разновидность жидкости самая полезная, поскольку ее поверхностное расположение не лишает ее всех минералов и химических элементов. Такая вода является одним из главных источников "питания" для сельскохозяйственных полей, лесных массивов и других агрокультур.
Эта разновидность жидкости не всегда может залегать горизонтально, зачастую ее очертания схожи с рельефом почвы. В верхнем слое земной коры влага не имеет "твердой опоры", поэтому она находится в подвешенном состоянии.
Избыточное количество почвенных вод наблюдается по весне, когда тает снег.
Грунтовые воды
Грунтовая разновидность - это воды, которые располагаются на некоторых глубинах верхнего земного слоя. Глубины протекания жидкости могут иметь большие показатели, если это засушливая местность или пустыня. При умеренном климате с периодичным постоянством выпадения осадков, грунтовые воды залегают не так глубоко. А при избытке дождей или снега грунтовая жидкость может приводить к подтоплению местности. В некоторых местах эта разновидность вод выходит на поверхность почв и называется родником, ключом или источником.
Грунтовые воды пополняются благодаря выпавшим осадкам. Многие путают ее с артезианской, но последняя залегает глубже.
Избыточное количество жидкости может скапливаться в одном месте. В результате стоячего положения образуются из подземных вод болота, озера и пр.
Межпластовые
Что такое подземная вода межпластовой категории? Это, по сути, те же водоносные горизонты, что и грунтовые и почвенные, но только уровень их протекания глубже, чем у двух предыдущих.
Положительной особенностью межпластовых жидкостей является то, что они намного чище, поскольку залегают глубже. Кроме того, их состав и количество всегда колеблется в одном постоянном пределе, и если и происходят изменения, то незначительные.
Артезианские
Артезианские воды располагаются на глубинах, превышающих 100 метров и достигающих 1 км. Эта разновидность считается, да и является, самой пригодной для употребления в пищу. Поэтому на загородных участках часто практикуется бурение подземных скважин как источник водоснабжения жилых домов.
При бурении скважины артезианская вода фонтаном вырывается на поверхность, поскольку явлется напорной разновидностью подземных вод. Залегает в пустотах горных пород между водоупорными пластами земной коры.
Ориентиром для добычи артезианской воды являются определенные природные объекты, расположенные на поверхности: впадины, флексуры, мульды.
Минеральные
Минеральные - самые глубоководные и самые целебные и ценные для человеческого здоровья. В них повышенное содержание разнообразных минеральных элементов, концентрация которых постоянна.
Минеральные воды также имеют собственные классификации:
По назначению:
- столовая;
- лечебная;
- смешанная.
По преобладанию химических элементов:
- сероводородные;
- углекислые;
- железистые;
- йодные;
- бромные.
По степени минерализации: начиная от пресных и заканчивая водами с самой высокой концентрацией.
Классификация по назначению
Подземные воды используются в жизни человека. Их назначение бывает разным:
- питьевая - это вода, которая пригодна для употребления или в своем природном, нетронутом виде, или же после очистки;
- техническая - это жидкость, которая применяется в различных технологических, хозяйственных или промышленных отраслях.
Классификация по химическому составу
На химический состав подземных вод влияют те породы, которые прилегают в непосредственной близости к влаге. Выделяются следующие категории:
- Пресные.
- Слабоминерализованные.
- Минерализованные.
Как правило, воды, залегающие в непосредственной близости с земной поверхностью, пресноводные. И чем глубже располагается влага, тем более минерализованный ее состав.
Как образовались подземные воды?
На образование подземных вод влияет несколько факторов.
- Осадки. Выпавшие осадки в виде дождей или снега поглощаются почвой в размере 20 % от общего количества. Они формируют почвенную или грунтовую жидкость. Кроме того, эти две категории влаги участвуют в круговороте воды в природе.
- Таяние ледников многолетней мерзлоты. Подземные воды образуют целые озера.
- Есть еще ювенильные жидкости, которые образовались в застывшей магме. Это разновидность первичных вод.
Мониторинг подземных вод
Мониторинг подземных вод - важная необходимость, которая позволяет отследить не только ее качество, но и количество, и вообще, ее наличие.
Если качество воды исследуют лабораторно, обозревая изъятую пробу, то разведка наличия подразумевает следующие методы, друг с другом взаимосвязанные:
- Первое - это проводится оценка местности на наличие предполагаемых подземных вод.
- Второе - это производится замерение температурных показателей обнаруженной жидкости.
- Далее применяется радоновый метод.
- После производится бурение базовых скважин, сопровождаемых изъятием керна.
- Выделенный керн отправляют на исследование: определяют его возраст, толщину и состав.
- Из скважин откачивают некоторое количество подземных вод, чтобы определить их характеристики.
- По базовым скважинам составляют карты залегания жидкости, оценивают ее качество и состояние.
Разведка подземных вод подразделяется на следующие типы:
- Предварительная.
- Детальная.
- Эксплуатационная.
Проблемы загрязнения
Проблема загрязнения подземных вод очень актуальна на сегодняшний день. Ученые выделяют следующие способы загрязнения:
- Химическое. Этот тип загрязнения очень распространен. Его глобальность зависит от того, что на Земле огромное количество сельскохозяйственных и промышленных предприятий, которые сбрасывают свои отходы в жидком и твердом (кристаллизованном) виде. Эти отходы очень быстро проникают в водонесущие горизонты.
- Биологическое. Загрязненные стоки от хозяйственно-бытового использования, неисправные канализации - все это причины заражения подземных вод болезнетворными микроорганизмами.
Классификация по типу водонасыщенных грунтов
Различают следующие:
- поровые, то есть те, которые обосновались в песках;
- трещенные, те, что заполняют полости глыб горных пород и скал;
- карстовые, те, которые располагаются в известняковых породах или иных хрупких породах.
В зависимости от места расположения формируется и состав вод.
Запасы
Подземные воды расцениваются как полезное ископаемое, которое возобновимо и участвует в круговороте воды в природе. Общие запасы этой разновидности полезных ископаемых составляют 60 млн км 3 . Но, несмотря на то что показатели не маленькие, подземные воды подвержены загрязнению, а это существенно сказывается на качестве потребляемой жидкости.
Заключение
Реки, озера, подземные воды, ледники, болота, моря, океаны - все это водные запасы Земли, которые так или иначе взаимосвязаны между собой. Влага, располагающаяся в слоях почвы, не только формирует подземный бассейн, но и влияет на формирование поверхностных водоемов.
Грунтовые воды пригодны для питья людей, следовательно сбережение их от загрязнения - одна и главных задач человечества.
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.
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.
Вода представляет собой наиболее распространенное вещество на нашей планете, благодаря которому поддерживается на ней жизнь. Она находится и в литосфере, и в гидросфере. Биосфера Земли состоит на ¾ из воды. Важную роль в кругообороте данного вещества играют его подземные виды. Здесь она может образовываться из мантийных газов, в процессе стока и т. д. В данной статье мы рассмотрим виды подземных вод.
Понятие
Под подземными водами понимают последние, находящиеся в земной коре, расположенные в горных породах, находящихся ниже поверхности Земли в различных агрегатных состояниях. Они составляют часть гидросферы. Как считает В. И. Вернадский, данные воды могут располагаться на глубине до 60 км. Расчетный объем подземных вод, расположенных на глубине до 16 км, составляет 400 млн кубических км, то есть треть от вод Мирового океана. Они расположены в двух этажах. В нижнем из них находятся метаморфические и магматические горные породы, поэтому здесь количество воды лимитированное. Основная масса воды расположена в верхнем этаже, в котором расположены осадочные породы.
Классификация по характеру обмена с поверхностными водами
В нем выделяют 3 зоны: верхнюю — свободного; среднюю и нижнюю — замедленного водного обмена. Виды подземных вод по составу в разных зонах различны. Так, в верхней из них располагаются пресные воды, использующиеся для технических, питьевых и хозяйственных целей. В средней зоне расположены древние воды различного минерального состава. В нижней части находятся высокоминерализованные рассолы, из которых добывают различные элементы.
Классификация по минерализации
Выделяют следующие виды подземных вод по минерализации: ультра-, пресные, имеющие относительно повышенную минерализацию - только последняя группа может достигать уровня минерализации 1,0 г/куб. дм; солоноватые, соленые, повышенной солености, рассолы. У последних минерализация превышает 35 мг/ куб. дм.
Классификация по залеганию
Выделяют следующие виды подземных вод по условиям залегания: верховодку, грунтовые, артезианские и почвенные воды.
Верховодка в основном формируется на линзах и выклинивающихся пластах слабопроницаемых или водоупорных горных пород в зоне аэрации при инфильтрации поверхностных и атмосферных вод. Иногда она образуется за счет иллювиального горизонта под почвенным слоем. Формирование данных вод связано с процессами конденсации водных паров помимо перечисленных выше. В некоторых климатических зонах они формируют достаточно большие запасы качественной воды, но в основном образуются маломощные водоносные горизонты, исчезающие при засухе и образующиеся в периоды интенсивных увлажнений. В основном данный вид подземных вод характерен для суглинков. Его мощность достигает 0,4-5 м. Существенное влияние на образование верховодки оказывает рельеф. На крутых склонах она существует короткое время или отсутствует вовсе. На плоских степях с понижениями в виде блюдец и плоских водоразделах, на поверхности речных трасс формируется более устойчивая верховодка. Она не имеет гидравлической связи с речными водами, при этом легко загрязняется иными водами. При этом она может питать грунтовые воды, а может расходоваться на испарение. Верховодка может быть пресной или слабоминерализованной.
Грунтовые воды - это часть подземных вод. Они расположены на первом водоносном горизонте от поверхности, залегают на первом водоносном пласте, выдержанном по площади. В основном они - безнапорные воды, небольшой напор могут иметь в участках с локальным водоупорным перекрытием. Глубина залегания, их химические и физические свойства подвержены периодическим колебаниям. Распространены повсеместно. Питаются посредством инфильтрации осадков из атмосферы, фильтрации из поверхностных источников, конденсации водных паров и внутригрунтового испарения, дополнительного питания, поступающего из нижерасположенных водоносных горизонтов.
Артезианские воды - это часть подземных вод, имеющих напор, залегающих в водоносных горизонтах между относительно водоупорными и водоупорными пластами. Они залегают глубже грунтовых. У них в большинстве случаев области питания и создания напора не совпадают. Вода появляется в скважине ниже установившегося уровня. Свойства данных вод менее подвержены колебаниям и загрязнениям по сравнению с грунтовыми.
Почвенные воды представляют собой таковые, которые приурочены к почвенному водному слою, принимают участие в снабжении растений данным веществом, связаны с атмосферой, верховодкой и грунтовыми водами. Они оказывают существенное влияние на химсостав грунтовых вод при их глубоком залегании. Если последние расположены неглубоко, то почва переувлажняется и начинается заболачивание. Гравитационная вода не формирует отдельного горизонта, передвижение осуществляется сверху вниз под действием капиллярных сил или сил тяжести в различных направлениях.
Классификация по формированию
Основными видами подземных вод являются инфильтрационные, которые формируются из-за просачивания атмосферных осадков. Помимо этого они могут образовываться в результате конденсации водяного пара, который попадает в трещиноватые и пористые породы вместе с воздухом. Помимо этого выделяют реликтовые (погребенные) воды, которые были в древних бассейнах, но были захоронены мощными слоями осадочных пород. Также отдельным видом идут термальные воды, которые образовались на последних этапах магматических процессов. Эти воды образуют магматогенные или ювенильные виды.
Классификация движения рассматриваемых объектов
Выделяют следующие виды движения подземных вод (см. рисунок).
Просачивание и осадков из атмосферы происходит в зоне аэрации. При этом данный процесс подразделяется на свободно осуществляемый и нормальную инфильтрацию. Первый предполагает осуществление движения сверху вниз под влиянием силы тяжести и капиллярных сил по неким канальцам и капиллярным порам, при этом пористое пространство не насыщается водой, что способствует сохранению движения воздуха. При нормальной инфильтрации к перечисленным выше силам присоединяются градиенты гидростатического давления, что приводит к тому, что поры полностью заполняются водой.
В зоне насыщения действуют гидростатическое давление и сила тяжести, что способствует перемещению свободной воды по трещинам и порам в стороны, уменьшение напора либо уклона поверхности горизонта, несущего воду. Такое движение называют фильтрацией. Наибольшая скорость движения воды наблюдается в подземных карстовых пещерах и каналах. На втором месте идут галечники. Гораздо более медленное перемещение наблюдается в песках — скорость составляет 0,5-5 м/сутки.
Виды подземных вод в зоне вечной мерзлоты
Данные подземные воды классифицируют на надмерзлотные, межмерзлотные и подмерзлотные. Первые располагаются в толще многолетней мерзлоты на водоупоре в основном в подножии склонов или на дне речных долин. Они, в свою очередь, делятся на сезонно промерзающие, верховодку, расположенную в деятельном слое; на сезонно частично промерзающие, с верхней частью в активном слое, на сезонно непромерзающие, залегание которых отмечается ниже сезонно промерзающего слоя. В некоторых случаях может происходить разрыв деятельного слоя различных грунтов, что приводит к выходу некоторой части надмерзлотных вод на поверхность, где приобретает вид наледи.
Межмерзлотные воды могут присутствовать в жидкой фазе, но наибольшее распространение получили в твердой фазе; как правило, не подвержены сезонным процессам оттаивания/промерзания. Данные воды в жидкой фазе обеспечивают водообмен с над- и подмерзлотными водами. Могут выходить на поверхность как родники. Подмерзлотные воды являются артезианскими. Они могут быть от пресных до рассолов.
Виды подземных вод России те же, что были рассмотрены выше.
Загрязнение рассматриваемых объектов
Выделяют следующие виды загрязнения подземных вод: химическое, которое, в свою очередь, подразделяется на органическое и неорганическое, тепловое, радиоактивное и биологическое.
В качестве химических загрязнителей в основном выступают жидкие и твердые отходы промышленных предприятий, а также пестициды и удобрения от сельхозтоваропроизводителей. Тяжелые металлы, другие токсичные элементы в наибольшей степени поражают грунтовые воды. По водоносным горизонтам они распространяются на значительные расстояния. Подобным образом ведет себя и загрязнение радионуклидами.
Биологическое загрязнение вызывает патогенная микрофлора. Источниками загрязнения обычно выступают скотные дворы, неисправная канализация, выгребные ямы и др. Распространение микрофлоры определяется скоростью фильтрации и выживаемостью данных организмов.
Является увеличением температуры подземных вод, возникающим при эксплуатации водозабора. Оно может возникать на участках сброса отработанных сточных вод или при расположении водозабора вблизи водоема с более нагретыми поверхностными водами.
Использование недр
Добыча подземных вод как вид пользования недрами регулируется ФЗ «О недрах». На добычу данных объектов требуется получение лицензии. Она выдается по отношению к подземным водам на срок до 25 лет. Срок пользования начинает исчисляться с момента госрегистрации лицензии.
Работы по добыче нужно зарегистрировать в Росреестре. Далее составляют проект и передают его на госэкспертизу. Затем готовят проект организации санохрзоны подземного водозабора, оценивают запасы этих вод и передают расчеты в госэкспертизу, фонд геоинформации и Росгеолфонд. Далее к полученным документам прикладывают свидетельства о праве собственности на землю, после чего подается заявка на лицензию.
В заключение
Какие виды подземных вод есть в России? Те же самые, что и в мире. Площадь нашей страны достаточно большая, поэтому в ней есть и мерзлотные, и артезианские, и грунтовые, и почвенные воды. Классификация рассматриваемых объектов достаточно сложна, и в данной статье она отражена неполная, здесь показаны самые основные ее моменты.