Підземні води, класифікація. Підземні води та ґрунтові води

Класифікації підземних вод відображають різноманітність умов їх поширення, залягання та формування, а також особливості складу та властивостей (В.І. Вернадський, Ф.П. Саваренський, Н.І. Толстихін, Є.В. Піннекер та ін).

Найбільш повною є класифікація, розроблена А.М. Овчинниковим, що відображає основні типи та підтипи підземних вод та геометрію фільтраційних середовищ.

Ґрунтові води. У ґрунтовому шарі міститься волога, що називається ґрунтовими водами. До них відноситься: гігроскопічна, пухко зв'язана, капілярна (піднята, підвішена, стикова) вода. Ці води, що пересуваються під дією молекулярних, капілярних сил і рідше сил тяжіння, багато в чому визначають родючість ґрунтів. Невеликі постійні скупчення води утворюються лише у ґрунтах болотного типу; вони характеризуються великим вмістом органічних речовинта мікроорганізмів.

У ґрунтознавстві виділяють такі види зволоження ґрунту: атмосферне, ґрунтово-атмосферне, ґрунтово-атмосферне з додатковим поверхневим харчуванням і ґрунтово-атмосферне з додатковим паводковим харчуванням.

Відповідно до балансу вологи (співвідношенням між її надходженням і доглядом (випаровування та відтік)) виділяють різні типи водного режиму грунтів з різними значеннями коефіцієнта зволоження К у: мерзлотний (К у ≥1); промивний (К у > 1, тайга, ліс, лісостеп - ґрунти дерново-підзолисті, лісові, чорноземи); непромивний (К у< 1, сухие степи, полупустыни — каштановые почвы, сероземы).

У ґрунтовому розрізі (2,0-2,5 м) виділяють горизонти: ґрунтовий - коренеживаний шар; підґрунтовий, куди в деяких зонах «промокання» не доходить; капілярної облямівки. Геологічна діяльність грунтових вод незначна, проте агрономічне значення цих вод величезне, так як грунтова волога необхідна для вирощування сільськогосподарських культур.

Гравітаційні підземні водизосереджені головним чином у зоні насичення, де вони утворюють різні за умовами залягання та живлення водоносні горизонти та системи водоносних горизонтів (комплекси, поверхи, басейни).

У зоні аерації вільні гравітаційні води можуть утворювати тимчасово існуючі водоносні горизонти, які називаються верхівкою.

У зоні насичення поширені ґрунтові та міжпластові напірні або безнапірні підземні води.

Взаємини та зв'язки верховодки, ґрунтових та напірних вод можуть бути найрізноманітнішими, що залежить від геолого-структурних, геоморфологічних, тектонічних, літологічних, кліматичних та інших факторів та умов. Загальна схема їхнього взаємного розташування в розрізі показана на рис.нижче.

Верховодка- Це горизонт, який формується за рахунок невеликих скупчень в зоні аерації вод тимчасового, сезонного характеру, що мають гідравлічний зв'язок з грунтовими водами і залягають на невитриманих водонепроникних і слабопроникних шарах поблизу поверхні землі. Взимку вона промерзає, а влітку пересихає. Верховодка завжди ускладнює інженерно-геологічні умови будівництва, оскільки може бути не помічена при дослідженнях. Іноді режим верхівки характеризується відносною стійкістю, і тоді її води використовуються для місцевого водопостачання (наприклад, у Тульській, Калузькій та Смоленській областяхвикористовуються води, що містяться в покривних суглинках вододілів).

Схема співвідношення верховодки, ґрунтових та напірних вод

1 - верховодка; 2 - ґрунтові води; 3 - напірні води; УВ – рівень верховодки; УГВ - рівень ґрунтових вод; ПУНВ - п'єзометричний рівень напірних вод; стрілками показано напрямок руху підземних вод

Виникають верхівки внаслідок просочування з поверхні атмосферних опадів, поверхневих і зрошувальних вод і накопичення їх на лінзах і прошарках слабопроникних порід, що грають роль місцевих водоупорів. Верховодки зазвичай залягають неглибоко і розташовані в розрізі вище за постійні горизонти грунтових вод. Їхні води витрачаються в основному на випаровування, транспірацію та харчування ґрунтових вод.

Особливості верхівки як своєрідного типу підземних вод:

розташування у межах порід зони аерації;
тимчасовий характер, сезонність (зазвичай у періоди інтенсивного випадання атмосферних опадів і витоків води з різних систем);
обмеженість поширення (локальний характер визначається локальним поширенням водоупорів);
різка залежність її запасів, режиму та якості від кліматичних умов та господарської діяльності людини;
легке забруднення та непридатність для постійного водопостачання.

Нагромадження верхівки відбувається навесні при відтаванні ґрунту та зменшенні мерзлого шару; восени - після періоду тривалих дощів. Необхідною умовоюзатримання вологи в породах має бути перешаровування проникних і слабопроникних порід. Наприклад, поховані горизонти грунтів повинні залягати в товщі лесів, лінзи розмитої глинистої морени - серед флювіогляціальних піщаних відкладень, лінзи і кишені суглинних відкладень - серед алювіальних пісків і т.д.

Зазвичай верховодка зустрічається в суглинках і лёсовидних відкладеннях на водороздільних плато. У районах поширення багаторічної мерзлотиверховодка (води сезонно-талого шару) дуже своєрідна і поширена. Води верхівки не мають зв'язку з річками. Рівень її характеризується крайньою мінливістю. У районах великих міст ці води легко забруднюються. Для гідротехнічного та цивільного будівництва її присутність несприятлива.

за хімічного складуводи верховодки неоднакові: пресні і слабомінералізовані з підвищеним вмістом кремнекислоти, органічної речовини і заліза в північних районах і зазвичай мінералізовані в південних районах (через випаровування). При бурінні свердловин для цілей водопостачання верховодку необхідно ретельно ізолювати за допомогою обсадних труб, щоб уникнути забруднення нею лежачих нижче водоносних горизонтів.

Грунтові води.До ґрунтових вод відносяться підземні води першого від поверхні постійно діючого водоносного горизонту, що залягає на відносно витриманому водоупорі і має вільну поверхню.

Зверху ґрунтові води зазвичай не перекриті водотривкими відкладеннями, тому вони мають тісний зв'язок з атмосферою і тиск на їх поверхні дорівнює атмосферному тиску, тобто. поверхня фунтових вод при розтині їх свердловинами встановлюється в них на тій глибині, де вони були зустрінуті. Нерідко тому грунтові води називають безнапірними (на відміну від напірних, що мають надлишковий напір над водоупорною покрівлею, що їх перекриває).

Умови залягання ґрунтових вод на першому від поверхні витриманому водоупорі визначають особливості їх живлення, поширення, руху та розвантаження. Області харчування та поширення ґрунтових вод збігаються, тобто. їхнє харчування через зону аерації здійснюється по всій площі їхнього поширення. Тому витрата потоку ґрунтових вод є величиною змінної (як правило, збільшується по шляху їх руху). Основними джерелами живлення ґрунтових вод є атмосферні опади, поверхневі та конденсаційні води. Грунтові води мають тісний гідравлічний зв'язок з поверхневими водотоками і водоймищами і в залежності від співвідношення їх рівнів або розвантажуються в них (дренуються), забезпечуючи їх підземне харчування, або харчуються поверхневими водами (особливо при підпорах і в паводки). При зміні рівня води в поверхневих водпро-емах змінюється рівень гідравлічно із нею взаємозалежних горизонтах фунтових вод.

Різні співвідношення між поверхневими та ґрунтовими водами

а - зв'язок між водами відсутній; б - річка живить ґрунтові води; в - грунтові води живлять річку; г - один берег річки живить ґрунтові води, а інший - дренує. Стрілки показують напрям руху вод, пунктиром — рівень

Характерна також тісна залежність режиму рівнів, якості та кількості ґрунтових вод від кліматичних факторів, процесів, що протікають у зоні аерації, та інженерної діяльності людини (підвищення рівнів та запасів у дощовий час та зниження їх у посуху, погіршення якості вод при інфільтрації стічних вод).

Ґрунтові води розвантажуються як джерел, пластових виходів, мочажин у місцеві зниження і поверхневі водотоки і водойми. При заляганні близько до поверхні (0-4 м) можуть розвантажуватися шляхом випаровування через зону капілярної облямівки. На окремих ділянках можливий гідравлічний взаємозв'язок ґрунтових вод з лежачими нижче напірними водами через
окремі літологічні вікна і ділянки розмиву водоупорних товщ, що їх розділяють. При цьому залежно від співвідношення рівнів взаємопов'язаних горизонтів відбуватиметься або живлення, або розвантаження ґрунтових вод.
Грунтові води рухаються від місць з їх більш високим рівнемдо місць з них зниженим рівнем, зазвичай від ділянок з підвищеним рельєфом і вододілів у бік місцевих понижень, ярів, балок і річкових долин. Розвантажуються ґрунтові води в цих пониженнях зазвичай у вигляді низхідних джерел. Поверхня ґрунтових вод (дзеркало), як правило, у дещо згладженому вигляді відповідає рельєфу місцевості. При цьому гідравлічні ухили поверхні ґрунтових вод зазвичай невеликі і складають в середньому 0,05-0,001. На окремих ділянках рівень грунтових вод може бути практично горизонтальним, що свідчить про незначну швидкість їх фільтрації або про повну її відсутність.

Наочне уявлення про умови поширення та руху ґрунтових вод дає карта гідроізогіпс, На якій показано положення поверхні ґрунтових вод в ізолініях, що з'єднують точки з однаковими відмітками рівня підземних вод. Будують таку карту аналогічно карті рельєфу земної поверхнів гори-парасольках, використовуючи результати одноразових вимірів рівня грунтових вод у всіх наявних свердловинах, колодязях і в їх природних виходах.

Якщо спостерігається різке зміна рівня ґрунтових вод у різні періоди, то карти гідроізогіпс складають на ці характерні періоди та дати (наприклад, коли рівень ґрунтових вод буває максимальним і мінімальним). Для отримання даних про зміну рівня проводять спеціальні спостереження їх режиму (так звані режимні спостереження).

Карта гідроізогіпс дозволяє визначати:

напрямок руху ґрунтових вод (за нормалями до гідроізо-гіпсів);
гідравлічні ухили та швидкість фільтрації;
глибину залягання ґрунтових вод (по різниці відміток горизон-талей поверхні Землі та гідроізогіпс водної поверхні);
характер взаємозв'язку ґрунтових вод з поверхневими (за характером сполучення гідроізогіпс з поверхневими водоймищами та напрямом руху підземних вод)

та вирішувати інші практичні завдання.

Нерідко на основі картки гідроізогіпс складають карту глибини залягання ґрунтових вод(В ізолініях рівних глибин або з виділенням зон певної глибини залягання ґрунтових вод).

Такі карти широко використовують при бурінні свердловин для водопостачання, зрошення і осушення.

Ґрунтові води поширені повсюдно там, де температурні умови верхньої частини літосфери допускають їх накопичення та існування в рідкій фазі. Вивчення умов їх формування та поширення показало, що існують певні закономірності зонального розподілу різних за походженням типів ґрунтових вод.

Ґрунтові води мають велике народногосподарське значення: їх широко використовують для цілей господарсько-питного та сільськогосподарського водопостачання та зрошення. Основними типами широко використовуються ґрунтових вод є ґрунтові води річкових долин, льодовикових відкладів, степів, напівпустель і пустель, конусів виносу та передгірних похилих рівнин, гірських районів, піщаних морських узбереж.

У гідрогеології визначення ґрунтових вод часто дається за С.М. Нікітін, який до цієї категорії відносить лише води першого від поверхні землі витриманого горизонту підземних вод, що залягає на водоупорі.

Різновиди підземних вод, що залягають поблизу поверхні землі під невитриманим водоупором, називають міжпластовими, закритими або підземними водами (наприклад, підземні води передгірних конусів виносу або льодовикових відкладень).

Особливості ґрунтових вод такі:

залягання поблизу поверхні землі в пухких відкладах мінливої потужності, переважно четвертинного віку, що дренуються річками або розкриваються ерозійною мережею;
якщо пласт перший від поверхні і не повністю насичений водою, то води ненапірні, а якщо пласт перекритий невитриманими по потужності шарами різної проникності, то води зазвичай напірні;
область харчування збігається з областю поширення, і харчування відбувається за рахунок інфільтрації атмосферних опадів та снігових вод; фільтрації з річок, озер та каналів; конден-сації водяної пари і всередині ґрунтового випаровування; підтікання (підживлення) з глибших водоносних горизонтів;
глибина залягання рівня, температура, мінералізація і витрата ґрунтових вод схильні до систематичних добових, місячних, річних і багаторічних коливань;
підземний стік ґрунтових вод зазвичай спрямований від вододілів до річкових долин, де здійснюється їх розвантаження в річки;
режим ґрунтових вод (інфільтрація та бічний приплив, відтік та випаровування, а також баланс, умови формування та стоку)
зазвичай тісно пов'язані з сучасним кліматом, рельєфом і поверхневими водами.

Міжпластові безнапірні води. Ці води, як і ґрунтові, мають вільну поверхню, тиск на якій дорівнює атмосферному, але залягають вони зазвичай між двома водотривкими товщами.

Через це міжпластові води живляться на обмежених ділянках (в областях виходу відкладень на поверхню, на ділянках їх взаємозв'язку з поверхневими водотоками і напірними водами) і знаходяться в більш сприятливих санітарних умовах, ніж незахищені з поверхні фунтові води.

У періоди інтенсивного випадання опадів і повінь рівні міжпластових вод можуть підвищуватися аж до появи надлишкових натисків над водоупорною покрівлею, що перекриває їх, тоді міжпластові безнапірні води можуть ставати напірними водами.

Таким чином, міжпластові безнапірні води є як би проміжним типом підземних вод — за гідравлічним характером вони безнапірні та аналогічні ґрунтовим водам, проте за умовами залягання близькі до напірних вод.

Артезіанські води та басейни. Під Парижем, в передмісті Артуа, в 1126 р. несподівано при бурінні свердловин були розкриті фонтануючі води, які отримали назву артезіанських вод. Спочатку артезіанськими водами називали тільки води, що фонтанують вище поверхні землі, — «водомети», пізніше цим поняттям стали об'єднувати всі міжпластові напірні води, що залягають у тектонічних структурах, увігнутих або похилих пластах, що піднімаються над покрівлею свердловини.

Для утворення артезіанських вод необхідні такі умови:

велика кількість атмосферних опадів у сфері харчування, тобто. приуроченість її до пояса надмірного зволоження;
породи області харчування мають виходити поверхню вище пунктів закладення свердловин, тобто. необхідні нахил і вигнутість пластів, що зумовлюють гідравлічний, артезіанський натиск;
оптимальні можливості водопоглинання, наявність добре проникних ґрунтів, в зоні аерації - мала і невелика потужність глинистих водотривких горизонтів і товщ;
наявність у сфері поширення чи напору витриманої глинистої покрівлі;
висока пористість, тріщинуватість і водопроникність водних порід.

Ґрунтові та міжпластові ненапірні води

1 - ґрунтові води; 2 - міжпластові ненапірні води; 3 - розвантаження грунтових вод у вигляді джерел; W - інфільтраційне харчування; УГВ - рівень ґрунтових вод; УМНВ - рівень міжпластових ненапірних вод

Відмінна риса артезіанських вод - це наявність надлишкового натиску над поверхнею покрівлі водомісткого пласта. При розтині напірних вод гірничими виробками їх рівень під дією надлишкового напору піднімається і встановлюється вище за водостійку покрівлю, відповідно до положення п'єзометричної поверхні напірного водоносного горизонту.

Схема артезіанського басейну

а- область харчування; б- Область натиску; в- область розвантаження; г- область можливого самовиливу напірних вод; 1,2 - п'єзометричний рівень напірних вод першого горизонту; 3 - Східне джерело; 4 - Ділянка можливого гідравлічного взаємозв'язку напірних горизонтів (гідрогеологічне «вікно»); 5 - напірні водоносні горизонти

Величину напору зазвичай визначають за становищем п'єзометричного рівня водоносного горизонту щодо горизонтальної площини порівняння Про - О. Напірні води розташовані, як правило, нижче горизонтів грунтових вод і характеризуються своєрідними умовами залягання, поширення, харчування і розвантаження. Наявність водостійкої покрівлі, що перекриває водоносний пласт, ускладнює живлення та розвантаження напірних вод та їх взаємозв'язок з поверхневими водами та атмосферою.

Живлення напірних водоносних горизонтів виявляється можливим лише області виходу водопроникного пласта на поверхню, де створюються умови проникнення пласт шляхом інфільтрації атмосферних опадів і поверхневих вод. Як мовилося раніше, ця область, має менші розміри, ніж область поширення напірних вод, називається областю харчування. Вона зазвичай розташована на найбільш високих відмітках, нерідко на значному віддаленні від областей поширення та розвантаження напірних вод.

В області живлення підземні води мають вільну поверхню і тісний гідравлічний взаємозв'язок з поверхневими водами. Область, в межах якої підземні води мають надлишковий над водоупорною покрівлею напір, що перекриває їх, називається областю напору (або областю поширення напірних вод). У цій галузі підземні води, як правило, не отримують харчування шляхом їх руху (оскільки вони ізольовані в розрізі водоупорами) і витрата їх не змінюється. На окремих ділянках можливий самовилив напірних вод при розтині свердловинами там, де позначки п'єзометричного рівня перевищують позначки земної поверхні.

Розвантаження напірних вод відбувається в області їх виходу на поверхню (на знижених порівняно з областю харчування ділянках), а також на ділянках природного (річки, яри, балки тощо) та штучного (свердловини, колодязі, шахти, кар'єри) і т.п.) розкриття напірних вод.

У природних умовах напірні води, розвантажуючись, утворюють висхідні джерела, ключі, грифони тощо, живлять річки та інші поверхневі водойми. Рухаються напірні води в напрямку від областей живлення до областей розвантаження. Інтенсивність їх руху зменшується в міру збільшення глибини та віддалення від областей харчування.

Положення п'єзометричної поверхні напірних вод характеризується карткою п'єзоізогіпс(Гідроізоп'єз), яка складається аналогічно карті гідроізогіпс грунтових вод і представляє собою систему ізоліній, що з'єднують точки з однаковими відмітками п'єзометричного рівня. На карти п'єзоізогіпс наносять також ізолінії відміток поверхні покрівлі і підошви розглянутого напірного горизонту, що полегшує вирішення багатьох практичних завдань. Наприклад, по карті п'єзоізогіпс визначають напрями руху напірних вод, гідравлічні ухили, напори, ділянки можливого самовиливу вод. Якщо відомі потужність напірного горизонту та його фільтраційні властивості, то можна визначити швидкість фільтрації підземних вод та витрату потоку.

Напірні води, ізольовані від атмосфери (зв'язок є лише в галузі живлення та розвантаження), характеризуються меншою залежністю їх режиму від кліматичних факторів, відносною сталістю рівнів температури і хімічного складу, меншою забрудненістю і кращою санітарною якістю води. Тому їх можна використовувати для різних видівводо-постачання (господарсько-питного, виробничо-технічного, лікувально-питного, термального та ін.) та зрошення. При екс-плуатації високонапірних вод, що знаходяться в пластах під значним тиском, велике практичне значеннямають їх пружні запаси, що вивільняються з водоносних пластів при частковому знятті тиску завдяки розущільненню раніше стислих порід та води. Незважаючи на незначну стисливість води і гірських порід, пружні запаси напірних вод досить великі, так як водонапірні системи, що містять їх, займають значні простори.

В реальних природних умовсхема поширення, живлення та розвантаження напірних вод залежить від геолого-структурних, тектонічних, літологічних, кліматичних та інших особливостей того чи іншого району. Зокрема, напірні води можуть харчуватися і розвантажуватися на ділянках, де можливий їхній гідравлічний взаємозв'язок з сусідніми напірними і безнапірними водоносними горизонтами через літологічні гідрогеологічні «вікна», тектонічні порушення та ділянки з розмивом водоупорних відкладень, що їх розділяють.

Їх інтенсивне розвантаження можливе також на ділянках, де напірні води розкриваються кар'єрами, котлованами, шахтами, водозабірними спорудами, а в природних умовах - через руслові і донні відкладення річок, озер, морів (приховане розвантаження). Пласти з напірними водами можуть з'єднуватися один з одним або виклинюватися (зникати), що забезпечує своєрідні умови накопичення та розповсюдження напірних вод.

Напірні води часто називають артезіанськими, а геологічні структури, що вміщають їх (мульди, синкліналі, монокліналі, западини та ін.). артезіанськими басейнами.

У межах артезіанського басейну можуть бути один або кілька напірних водоносних горизонтів або комплексів, взаємозалежних або ізольованих один від одного водостійкими відкладеннями. Положення п'єзометричних поверхонь, що входять до складу басейну напірних водоносних горизонтів, залежить від висотного розташування областей їх живлення та розвантаження, а також від ступеня гідравлічного взаємозв'язку напірних горизонтів.

П'єзометрична поверхня глибоко залягають водоносних горизонтів значною мірою визначається геостатичним тиском товщі вищележачих відкладень. Значно високі тиску в центральних частинах басейнів, ніж у крайових, можуть викликати рух підземних вод від центральних частиндо крайових, тобто. до периферійних областей харчування артезіанських басейнів

Своєрідні басейни напірних вод зустрічаються в передгірських і гірських районах, де є моноклінальне залягання і виклинювання водовмісних відкладень, що сприяють утворенню так званих артезіанських схилів.

Схема артезіанського схилу

а - область харчування; 6 - область напору; в - область розвантаження; 7 — вільний рівень підземних вод у сфері харчування; 2 - п'єзометричний рівень підземних вод в області напору; 3 — джерела низхідного та висхідного типів у галузі розвантаження

Підземні води, що формуються в галузі живлення артезіанського схилу, розвантажуються у вигляді джерел висхідного і низхідного типів у безпосередній близькості від області живлення. Напірний характер води артезіанського схилу мають у зоні їх перекриття водотривкими відкладеннями. Гіпсометрично область напору знаходиться на більш низьких абсолютних відмітках, ніж область розвантаження. В артезіанських басейнах з інтенсивним рухом підземних вод поширені, як правило, прісні інфільтраційні води з невисокою мінералізацією (Зона інтенсивного водообміну). Потужність зони інтенсивного водообміну за сприятливих умов може становити 1000 м і більше.

У великих артезіанських басейнах з невеликими за площею областями харчування прісні води приурочені до водоносних горизонтів і комплексів, що неглибоко залягають. У більш глибоко залеглих горизонтах, не охоплених інтенсивним водообміном, широко поширені мінералізовані і високомінералізовані підземні води різного складу (гідрокарбонатно-сульфатні, сульфатні, сульфатно-хлоридні). Зазвичай цю зону називають зоною утрудненого водообміну.

В артезіанських басейнах з несприятливими умовами водообміну (незначна різниця у висотному положенні областей живлення та розвантаження, глибоке залягання та широке регіональне поширення напірних вод, закритий характер структур, що водовміщають і т.д.) нижче цієї зони знаходиться зона дуже утрудненого водообміну, в межах якої у водоносних горизонтах зберігаються седиментаційні древні води (води морського походження). Таким чином, для артезіанських басейнів характерні певні гідродинамічна та гідрохімічна зональності. Наявність і потужність кожної із зон та їх взаємне розташування залежать від конкретних умов басейну та сукупності факторів, що визначають формування, накопичення, рух і витрачання підземних вод.

Напірні води артезіанських басейнів мають велике практичне значення не тільки як джерело водопостачання. Залежно від їх хімічного та газового складу, наявності в них біологічно активних і промислових мікрокомпонентів, їх температури та інших показників напірні підземні води широко використовують у курортно-санаторній справі (мінеральні води), для промислового вилучення солей та цінних мікрокомпонентів (промислові води), з метою теплофікації, теплоенергетики та теплично-парникового господарства (термальні води). Прикладами великих артезіанських басейнів платформного типу є Західно-Сибірський, Московський, Прибалтійський, Дніпровсько-Донецький та ін.

Порові води — це води, які насичують пористі породи (галечники, піски, слабо зцементовані пісковики, супіски, суглинки тощо). Кількість води, яку можна витягти з таких порід за одиницю часу, тобто. їх дебіт, залежить від гранулометричного складу, структури і типу пористості породи, які визначають швидкість підтоку води до колодязя або свердловини. Чим більше часу в гірських породах, тим швидше відкачується з ним вода, оскільки її рух відбувається вільніше. Швидкість дні ння підземного потоку зазвичай досягає в лесі і суглинистих породах 0,1-0,3 м/сут, в супесях і дрібнозернистих пісках - 0,5-1,0 м/сут, в крупнозернистих пісках і дрібному галечнику - від 1, 5 до 10 м/добу.

Усі води, що знаходяться в товщі гірських порід у твердому, рідкому або газоподібному стані, називаються підземними

На материках вони утворюють суцільну оболонку, яка не переривається навіть у областях сухих степів та пустель. Як і поверхневі води, вони перебувають у постійному русі та беруть участь у загальному кругообігу води у природі. Будівництво та експлуатація більшості наземних споруд та всіх підземних пов'язані з необхідністю обліку руху підземних вод, їх складу та стану. Від підземних вод залежать фізикомеханічні властивості та стан багатьох гірських порід. Вони часто затоплюють будівельні котловани, канави, траншеї та тунелі, а виходячи на поверхню, сприяють заболочуванню території. Підземні води можуть бути агресивним середовищем щодо гірських пород. Вони є основною причиною багатьох фізикогеологічних процесів, що виникають у природних умовах, у процесі будівництва та експлуатації інженерних споруд.

Розрізняють:

Питні води- Води, за своєю якістю в природному станіабо після обробки відповідають нормативним вимогам і призначені для питних та побутових потреб людини, або для виробництва харчової продукції. Цей тип вод включає також мінеральні природні столові води, до яких належать підземні води із загальною мінералізацією не більше 1 г/дм 3 , які не вимагають водопідготовки або не змінюють після водопідготовки природного складу.

Технічні підземні водиводи різного хімічного складу (від прісних до розсолів), призначені для використання у виробничо-технічних та технологічних цілях, вимоги до якості яких встановлюються державними чи галузевими стандартами, технічними умовами чи споживачами.

Підземні води також підрозділяють:

Підземні води переважно утворюються внаслідок просочування (інфільтрації) атмосферних опадів і поверхневих вод у товщу земної кори. Вода проходить через водопроникні породи до водотривкого шару і накопичується на ньому, утворюючи підземний басейн або потік. Така підземна вода називається інфільтраційної. Кількість інфільтраційної води залежить від кліматичних умов місцевості, рельєфу, рослинності, складу порід верхньої товщі, їх структури та текстури, а також тектонічної будовирайону. Інфільтраційні підземні води є найпоширенішими.

Підземна вода може утворюватися також шляхом конденсації пароподібної води, що постійно циркулює у порах гірських порід. Конденсаційнапідземна вода утворюється лише влітку і частково навесні та восени, а взимку не утворюється зовсім. Конденсацією водяної пари А. Ф. Лебедєв пояснював утворення значних запасів підземної води в зонах пустель і напівпустель, де кількість атмосферних опадів, що випадають, мізерна. Конденсуватись можуть не тільки водяні пари атмосфери, але й водяні пари, що виділяються з магматичних вогнищ та інших високотемпературних зон земної кори. Такі підземні води називаються ювенільними. .Ювенільніпідземні води зазвичай дуже мінералізовані. В ході геологічного розвиткуу товщі земної кори можуть зберігатися поховані водяні басейни. Вода, що міститься в осадових товщах цих басейнів, називається реліктовий.

Утворення підземних вод є складним процесом, що починається з накопичення опадів і тісно пов'язаний з геологічною історією району. Дуже часто підземні води різного походження перемішуються між собою, утворюючи змішаніза походженням води.

Верхню частину земної кори з погляду поширення підземних вод прийнято ділити на дві зони: зону аерації та зону насичення. У зоні аерації не завжди всі пори гірських порід заповнені водою. Всі води зони аерації живляться за рахунок атмосферних опадів, інтенсивно випаровуються та поглинаються рослинами. Кількість води у цій зоні визначається кліматичними умовами. У зоні насичення незалежно від кліматичних умов завжди всі пори гірських порід заповнені водою. Над зоною насичення знаходиться підзона капілярного зволоження. У цьому підзоні тонкі пори заповнені водою, а великі повітрям.

У зоні аерації утворюються ґрунтова вода та верховодка. Ґрунтова водазалягає безпосередньо біля поверхні землі. Це єдина вода, яка не має під собою водоупору і представлена в основному пов'язаною та капілярною водою. Ґрунтова вода знаходиться у складному взаємозв'язку з тваринами та рослинними організмами. Вона відрізняється різкими коливаннями температури, наявністю мікроорганізмів та гумусу. З ґрунтовою водою будівельники стикаються лише на заболочених ділянках.

Верховодкаутворюється у зоні аерації на водонепроникних лінзах. Верховодкою також називають будь-які часові скупчення води в зоні аерації. Атмосферні опади, що проникають у цю зону, можуть тимчасово затримуватися на слабопроникних або ущільнених шарах. Найчастіше це відбувається навесні в період сніготанення або в період дощів. У посушливі періоди верхівка може зникати. Характерними особливостями верховодки є мінливість існування, обмеженість поширення, мала потужність та безнапірність. Верховодка нерідко створює складнощі для будівельників, оскільки наявність або можливість її утворення не завжди встановлюється при інженерно-геологічних дослідженнях. Верховодка, що утворилася, може викликати підтоплення інженерних споруд, заболочування територій.

Ґрунтовийназивається вода, що залягає на першому від поверхні землі постійному водотривкому шарі. Ґрунтові води існують постійно. Вони мають вільну водну поверхню, яку називають дзеркалом ґрунтових вод,і водостійке ложе. Проекція дзеркала ґрунтових вод на вертикальну площину називається рівнем ґрунтових вод (У Г В).Відстань від водоупору до рівня ґрунтових вод називається потужністю водоносного горизонту.Рівень ґрунтових вод, а отже, і потужність водоносного горизонту - величини непостійні і можуть змінюватися протягом року в залежності від кліматичних умов. Живлення ґрунтових вод відбувається в основному за рахунок атмосферних і поверхневих вод, але вони можуть бути змішаними, інфільтраційно-конденсаційними. Ділянка поверхні землі, з якої поверхнева та атмосферна вода надходить у водоносний горизонт, називається областю харчуванняґрунтових вод. Область живлення ґрунтових вод завжди збігається з областю їхнього поширення. Ґрунтові води з наявності вільної водної поверхні є безнапірними, т. е. рівень води у свердловині встановлюється тієї ж позначці, де зустрінута вода.

Залежно від умов залягання ґрунтових вод розрізняють ґрунтові потоки та басейни. Грунтові потоки мають похилий дзеркало і знаходяться в безперервному русі у бік ухилу водоупору. Грунтові басейни мають горизонтальне дзеркало і трапляються набагато рідше.

Ґрунтові води, перебуваючи у постійному русі, мають тісний зв'язок із поверхневими водотоками та водоймами. У районах, де атмосферні опади переважають над випаровуванням, ґрунтові води зазвичай живлять річки. У посушливих районах дуже часто вода з річок надходить у ґрунтові води, поповнюючи підземні потоки. Може існувати і змішаний тип зв'язку, коли з одного берега ґрунтові води живлять річку, а з іншого - вода з річки надходить у ґрунтовий потік. Характер зв'язку може змінюватись в залежності від кліматичних та деяких інших умов.

При проектуванні та будівництві інженерних споруд необхідно враховувати режим ґрунтових вод, Т. е. зміна в часі таких показників, як коливання рівня ґрунтових вод, температури та хімічного складу. Найбільшим змінам піддаються рівень і температура ґрунтових вод. Причини цих змін дуже різноманітні та нерідко безпосередньо пов'язані з будівельною діяльністю людини. Кліматичні чинники викликають як сезонні, і багаторічні зміни рівня грунтових вод. Паводки на річках, а також водосховища, ставки, системи зрошення, канали, дренажні споруди ведуть до зміни режиму ґрунтових вод.

Положення дзеркала ґрунтових вод на картах зображується за допомогою гідроізогіпсу та гідроізобату. Гідроізогіпси- Лінії, що з'єднують точки з однаковими абсолютними відмітками рівня ґрунтових вод. Ці лінії аналогічні горизонталям рельєфу і подібно до них відображають рельєф дзеркала ґрунтових вод. Карта гідроізогіпсу використовується для визначення напрямку руху ґрунтових вод і для визначення значення гідравлічного градієнта. Напрямок руху ґрунтових вод завжди перпендикулярно гідроізогіпсам від більш високих позначок до нижчих. Напрями, за якими пересуваються грунтові води при незмінному в часі русі, називаються лініями струму.Якщо лінії струму паралельні між собою, такий потік називається плоским. Потік може бути схожим і розбіжним. Чим менша відстань між гідроізогіпсами, тим більший гідравлічний градієнт ґрунтового потоку. Гідроізобати- Лінії, що з'єднують точки з однаковою глибиною залягання ґрунтових вод.

МіжпластовимиПідземними водами називаються водоносні горизонти, що залягають між двома водоупорами. Вони можуть бути ненапірними та напірними. Міжпластові ненапірні води трапляються рідко. За характером руху вони аналогічні ґрунтовим водам. Міжпластові напірні води називаються артезіанськими.Залягання артезіанських вод дуже різноманітне, але найчастіше зустрічаються синклінальне. Артезіанська вода завжди заповнює весь водоносний горизонт від підошви до покрівлі та не має вільної водної поверхні. Область поширення одного чи кількох рівнів артезіанських водоносних горизонтів називають артезіанським басейном.Площі артезіанських басейнів величезні та вимірюються десятками, сотнями, а іноді й тисячами квадратних кілометрів. У кожному артезіанському басейні розрізняють галузі харчування, розповсюдження та розвантаження. Область харчування артезіанських басейнів зазвичай розташовується великих відстанях від центру басейну і більш високих позначках. Вона ніколи не збігається з областю їхнього поширення, яку іноді називають областю напорів. Артезіанські води відчувають гідростатичний тиск, обумовлене різницею позначок області харчування та області розвантаження, згідно із законом сполучених судин. Рівень, на якому встановлюється артезіанська вода у свердловині, називається п'єзометричним.Положення його визначається п'єзометричною лінією, або лінією натисків, умовною прямою лінією, яка з'єднує область живлення з областю розвантаження. Якщо п'єзометрична лінія проходить вище поверхні землі, то при розтині водоносного горизонту свердловинами відбуватиметься фонтанування, а натиск називається позитивним. Коли п'єзометричний рівень розташований нижче поверхні землі, то натиск називається негативним, а вода зі свердловини не виливається. Артезіанські води, як правило, більш мінералізовані і менше пов'язані з поверхневими водотоками та водоймищами, ніж ґрунтові води.

Тріщинними водаминазиваються підземні води, присвячені тріщинуватим магматичним, метаморфічним і осадовим породам. Характер їх руху визначається розміром та формою тріщин. Тріщинні води можуть бути ненапірними та напірними. Вони є непостійними і можуть змінювати характер руху. Розмив та розчинення гірських порід призводять до розширення тріщин, а кристалізація солей та накопичення опадів - до їх звуження. Витрата тріщинних вод може сягати 500 м 3 /год. Тріщинні води створюють значні труднощі під час будівництва підземних споруд.

Підземні води у місті

У містах попит на воду значний, але підземні водні ресурси обмежені. Багато в чому процес відновлення водних ресурсів залежить стану самої міської середовища, її екології. Цей важливий чинник відповідає як обсяг підземних водних ресурсів, а й у рівень їх забруднення.

У Останніми рокамиВивчення ґрунтових вод міських просторів входить до складу розділу гідрогеології.

Проблеми, що виникають при взаємодії ґрунтових вод з міським середовищем, це і забруднення ґрунтових вод через стічні труби каналізації, і зниження рівня підземних вод насосними системами, і загроза затоплення ґрунтовими водами підземних просторів міського середовища (наприклад, метро).

Зараз питання про збереження та захист ґрунтових вод від забруднення стоїть особливо гостро. Адже саме від них залежить стабільність розвитку більшості міст, що виводить проблему на рівень світового масштабу.

Відштовхуючись від поставлених завдань та ґрунтуючись на останніх досягненнях у галузі гідрогеології, вченими розробляються нові схеми контролю та спостереження за рівнем забруднення ґрунтових вод, їхньою активністю в межах підземного простору міського середовища.

І все ж, яку б важливу роль у процесі розвитку міського простору не відігравала його зв'язок із ґрунтовими водами, цілком очевидно, що в даному виді взаємодії міському середовищі відведена доля зовнішнього обмежувача, ніж рівноправного учасника.

Багато міст використовують підземну воду як питну. Всі знають, що вода - це ресурс, що заповнюється, але в той же час сильно схильний до впливу зовнішніх факторів. Дуже важливо стежити за рівнем ґрунтових вод та ступенем їх забруднення. Для стабільного розвитку міського простору цей тендітний баланс дуже важливий. Халатне ставлення до водним ресурсампризводить до дуже плачевних наслідків. Наприклад, у Мехіко постійне зниження рівня ґрунтових вод призвело до просідання ґрунту, а потім і до екологічних проблем.

Показники підземних вод у Російської Федерації

Ресурсний потенціал підземних вод Росії становить 869,1 млн. м 3 /добу і розподілений територією нерівномірно, що визначається різноманітністю геолого-гідрогеологічних умов та кліматичними особливостями.

На Європейській території Росії його величина становить 346,4 млн. м 3 /добу і змінюється від 74,1 млн. м 3 /добу в Центральному до 117,7 млн. м 3 /сут у Північно-Західному федеральних округах; на Азіатській території Росії - 522,7 млн. м 3 /сут і коливається від 159,2 млн. м 3 /сут на Далекосхідному до 250,9 млн. м 3 /сут в Сибірському федеральних округах.

Сучасна роль підземних вод у господарсько-питному водопостачанні населення Російської Федерації характеризується такими показниками. Частка підземних вод у балансі господарсько-питного водопостачання (з поверхневих та підземних вододжерел) становить 45%.

Понад 60% міст і селищ міського типу задовольняють потреби у питній воді, використовуючи підземні води, а близько 20% мають змішані джерела водопостачання.

У сільскої місцевостіна підземні води у господарсько-питному водопостачанні припадає 80–85% загального водоспоживання.

Найбільш складною проблемою є забезпечення питною водоюнаселення великих міст. Близько 35% великих міст практично немає підземних джерел централізованого водопостачання, а 37 міст взагалі відсутні розвідані запаси підземних вод.

Ступінь використання підземних вод у господарсько-питному водопостачанні населення визначається як закономірностями розподілу ресурсів підземних вод по території Росії, так і політикою забезпечення населення питною водою, що проводиться багато років шляхом пріоритетного використання поверхневих вод.

Нині відзначається низький рівень використання розвіданих родовищ підземних вод та його запасів. Середній рівень використання загальних розвіданих запасів становить 18–20%, а в межах родовищ із розвіданими запасами, що експлуатуються, – 30–32%.

Останні 5 років приріст оцінених експлуатаційних запасів становив 6,8 млн. м 3 /сут.

З підземних джерел задоволення питних потреб населення та водопостачання об'єктів промисловості забрано 28,2 млн. м 3 /сут води. Сумарна величина видобутку та вилучення підземних вод склала 33,1 млн. м 3 /сут, без використання скинуто 5,9 млн. м 3 /сут (17,8% загальної величини видобування та видобутку підземних вод).

Для господарських потреб використано 27,2 млн. м3/добу, у тому числі: на господарсько-питне водопостачання 20,6 млн. м3/добу (76%); виробничо-технічне водопостачання – 6,0 млн. м3/добу (22%); зрошення земель та обводнення пасовищ – 0,5 млн. м 3 /добу (2%).

Внаслідок вилучення та видобутку підземних вод на окремих територіях утворилися великі регіональні депресійні вирви, площі яких досягають значних розмірів (до 50 тис. км 2 ), а зниження рівня в центрі – до 65–130 м (міста Брянськ, Курськ, Москва, Санкт -Петербург).

У м. Брянськ регіональна депресійна вирва, що утворилася у верхньодевонському водоносному комплексі, має радіус понад 150 км і зниження рівня понад 80 м. Великі вирви депресії утворилися в районі міст Курськ і Залізногірськ і на Михайлівському залізорудному кар'єрі. "Курська" депресійна вирва в баткеловійському водоносному горизонті має радіус 90-115 км, зниження рівня в центрі - 64,5 м. На Михайлівському кар'єрі вирва досягла 60-90 км у радіусі, рівень знизився з початку осушення кар'єру на 77,4 м.

У Московському регіоні інтенсивна експлуатація підземних вод нижньокам'яновугільного водоносного комплексу протягом 100 років призвела до формування великої глибокої воронки, площа якої перевищує 20 тис. км 2 , а максимальне зниження рівня - 110 м. Багаторічна експлуатація підземних вод гдовського утворення регіональної депресійної вирви загальною площею до 20 тис. км 2 зі зниженням рівня до 35 м.

На території Росії, за даними державного моніторингу стану надр МПР Росії, виявлено 4002 ділянки забруднення, їх понад 80% перебуває у ґрунтових водоносних горизонтах, зазвичай які є джерелами питного водопостачання населення.

За експертними оцінками, у Російській Федерації частка забруднених підземних вод не перевищує 5-6% обсягу їх використання для питного водопостачання населення.

Найбільше ділянок забруднення підземних вод розташовано біля наступних федеральних округів: Приволзького (30%), Сибірського (23%); Центрального (16%) та Південного (15%). Із загальної кількості ділянок забруднення підземних вод:

§ на 40% забруднення пов'язане з промисловими підприємствами;

§ на 20% – із сільськогосподарським виробництвом;

§ на 9% – з житлово-комунальним господарством,

§ на 4% забруднення відбувається в результаті підтягування некондиційних природних вод при порушенні режиму експлуатації водозаборів;

§ на 10% забруднення підземних вод “змішане” та зумовлене діяльністю промислових, комунальних та сільськогосподарських об'єктів;

§ для 17% ділянок джерело забруднення підземних вод не встановлено.

Найбільш напружена екологічна ситуація склалася на ділянках забруднення підземних вод речовинами І класу небезпеки. Ці ділянки виявлені в районах окремих великих промислових підприємств у наступних містах та селищах: Амурськ (ртуть), Ачинськ (фосфор), Байкальськ (ртуть), Георгіївськ (ртуть), Єсентуки (ртуть), Єкатеринбург (фосфор), Іскітім (берилій), Новокузнецьк (фосфор), Казань (берилій, ртуть), Кисловодськ (фосфор), Мінеральні Води (ртуть), Лермонтов (ртуть), Комсомольськ-на-Амурі (берилій), Магнітогорськ (тетраетилсвинець), Новосибірськ (берилій, рт. (ртуть), Вільний (ртуть), Усолье-Сибірське (ртуть), Хабаровськ (берилій, ртуть), Череповець (берилій) та ін.

Найбільшу екологічну небезпеку є забруднення підземних вод, виявлене в окремих свердловинах на водозаборах питного водопостачання.

Тема: Основні різновиди підземних вод. Умови формування. Геологічна діяльність підземних вод

2. Основні типи підземних вод.

1. Класифікація підземних вод.

Підземні води дуже різноманітні за хімічним складом, температурою, походженням, призначенням і т.д. За загальним вмістом розчинених солей вони поділяються на чотири групи: прісні, солонуваті, солоні та розсоли. Прісні води містять менше 1 г/л розчинених солей; солонуваті води - від 1 до 10 г/л; солоні – від 10 до 50 г/л; розсоли – понад 50 г/л.

За хімічним складом розчинених солей підземні води поділяються на гідрокарбонатні, сульфатні, хлоридні та складного складу (сульфатні гідрокарбонатні, хлоридні гідрокарбонатні тощо).

Води, що мають лікувальне значення, називаються мінеральними. Мінеральні води виходять на поверхню у вигляді джерел або виводяться на поверхню штучно за допомогою свердловин. За хімічним складом, газоносністю та температурою мінеральні води ділять на вуглекислі, сірководневі, радіоактивні та термальні.

Вуглекислі води поширені на Кавказі, Памірі, в Забайкаллі, на Камчатці. Вміст вуглекислого газу у вуглекислих водах коливається від 500 до 3500 мг/л і більше. Газ є у воді в розчиненому вигляді.

Сірководневі води також поширені досить широко і пов'язані переважно з осадовими породами. Загальний вміст сірководню у воді зазвичай невеликий, проте лікувальна дія сірководневих вод настільки значна, що вміст Н2 більше 10 мг/л вже надає їм лікувальних властивостей. В окремих випадках вміст сірководню досягає 140-150 мг/л (наприклад, відомі джерела Мацести на Кавказі).

Радіоактивні води діляться на радонові, радон, що містять, і радієві, що містять солі радію. Лікувальна діяРадіоактивні води дуже високо.

По температурі термальні води діляться на холодні (нижче 20 ° С), теплі (20-30 ° С), гарячі (37-42 ° С) і дуже гарячі (понад 42 ° С). Вони поширені в областях молодого вулканізму (на Кавказі, Камчатці, Середній Азії).

2. Основні типи підземних вод

За умовами залягання виділяють такі типи підземних вод:

· Грунтові;

· верховодка;

· Грунтові;

· міжпластові;

· Карстові;

· Тріщинні.

Ґрунтові води розташовуються біля поверхні та заповнюють порожнечі в грунті. Волога, що міститься у ґрунтовому шарі, називається ґрунтовими водами. Пересуваються вони під дією молекулярних, капілярних сил та сил тяжіння.

У поясі аерації виділяють 3 шари ґрунтових вод:

1. Грунтовий горизонт змінної вологості - кореневитий шар. У ньому відбувається обмін вологою між атмосферою, ґрунтом та рослинами.

2. підґрунтовий обрій, часто сюди «промокання» не доходить і він залишається «сухим».

горизонт капілярної вологи - капілярна облямівка.

Верховодка - тимчасове скупчення підземних вод у близькоповерхневому шарі водоносних відкладень у межах зони аерації, що лежать на лінзовидному, водоупорі, що виклинюється.

Верховодка - безнапірні підземні води, що залягають найближче до земної поверхні і мають суцільного поширення. Утворюються за рахунок інфільтрації атмосферних і поверхневих вод, затриманих непроникними або слабо проникними пластами і лінзами, що виклинюються, а також в результаті конденсації водяної пари в гірських породах. Характеризуються сезонністю існування: у посушливий час вони нерідко зникають, а періоди дощів і інтенсивного сніготанення виникають знову. Схильні до різких коливань залежно від гідрометеорологічних умов (кількості атмосферних опадів, вологості повітря, температури та ін.). До верхівки належать також води, що тимчасово з'являються в болотних утвореннях внаслідок надлишкового харчування боліт. Нерідко верховодка виникає в результаті витоків води з водопроводу, каналізації, басейнів та ін водонесучих пристроїв, наслідком чого може бути заболочування місцевості, підтоплення фундаментів і підвальних приміщень. У сфері поширення багаторічномерзлих гірських порід верховодка належить до надмерзлотним водам. Води верхівки зазвичай прісні, слабомінералізовані, але часто бувають забруднені органічними речовинами і містять підвищені кількості заліза та кремнекислоти. Верховодка, як правило, не може бути добрим джерелом водопостачання. Однак при необхідності вживаються заходи для штучного збереження: будова ставків; відводи з річок, що забезпечують постійним харчуванням колодязі, що експлуатуються; насадження рослинності, що затримує сніготанення; створення водотривких перемичок тощо. У пустельних районах шляхом влаштування канавок на глинистих ділянках - токирах, атмосферні води відводяться в прилеглу ділянку пісків, де створюється лінза верхівки, що є деяким запасом прісних вод.

Грунтові води залягають у вигляді постійного водоносного горизонту на першому від поверхні, більш менш витриманому, водонепроникному шарі. Грунтові води мають вільну поверхню, яка називається дзеркалом, або рівнем грунтових вод.

Міжпластові води укладені між водотривкими шарами (пластами). Міжпластові води, що знаходяться під натиском, називаються напірними або артезіанськими. При розтині свердловинами артезіанські води піднімаються вище за покрівлю водоносного пласта і, якщо позначка напірного рівня (п'єзометрична поверхня) перевищує позначку поверхні Землі в даному пункті, то вода буде виливатися (фонтанувати). Умовна площина, що визначає положення напірного рівня водоносному пласті (див. рис. 2), називається п'єзометричним рівнем. Висота підйому води вище водостійкої покрівлі називається натиском.

Артезіанські водизалягають у водопроникних відкладеннях, укладених між водонепроникними, повністю заповнюють порожнечі у пласті та перебувають під натиском. УВ, що встановився в свердловині, називають п'єзометричним,який виявляється в абсолютних позначках. Напорні води, що самовиливаються, мають локальне поширення і більше відомі у садівників як «ключи». Геологічні структури, яких приурочені артезіанські водоносні горизонти, називаються артезіанськими басейнами.

Рис. 1. Типи підземних вод: 1 – ґрунтові; 2 – верховодка; 3 – ґрунтові; 4 ~ міжпластові; 5 - водонепроникний обрій; 6 - водопроникний горизонт

Рис. 2. Схема будови артезіанського басейну:

1 – водонепроникні породи; 2 – водопроникні породи з напірною водою; 4 - напрямок стоку підземних вод; 5 – свердловина.

Карстові води залягають у карстових порожнинах, що утворилися за рахунок розчинення та вилуговування гірських порід.

Тріщинні води заповнюють тріщини гірських порід і може бути як напірними, і безнапірними.

3. Умови утворення ґрунтових вод

Ґрунтові води є першим від поверхні землі постійним водоносним горизонтом.. Близько 80% сільських населених пунктів використовують для водопостачання ґрунтові води. ГВ давно використовуються для зрошення.

Якщо води прісні, то при глибині залягання 1-3 м вони є джерелом зволоження грунтів. При висоті 1-1,2 м можуть викликати заболочування. Якщо ґрунтові води сильно мінералізовані, то при висоті 2,5 - 3,0 м можуть викликати вторинне засолення грунтів. Зрештою, ґрунтові води можуть ускладнювати прохідку будівельних котлованів, підпалювати забудовані території, агресивно впливати на підземні частини споруд тощо.

Підземні води формуються різними способами. Частина їх утворюється внаслідок просочування атмосферних опадів та поверхневих вод по порах та тріщинам гірських порід. Такі води називаються інфільтраційними(слово "інфільтрація" означає просочування).

Проте існування підземних вод який завжди можна пояснити інфільтрацією атмосферних опадів. Наприклад, у районах пустель та напівпустель випадає дуже мало опадів, причому вони швидко випаровуються. Водночас навіть у пустельних областях на певній глибині є підземні води. Утворення таких вод можна пояснити лише конденсацією водяної пари в ґрунті. Пружність водяної пари в теплу пору року в атмосфері більша, ніж у ґрунті та гірських породах, тому пари води безперервно надходять з атмосфери у ґрунт і формують там підземні води. У пустелях, напівпустелях та сухих степах вода конденсаційного походження у спекотний час є єдиним джерелом вологи для рослинності.

Підземні води можуть формуватися за рахунок поховання вод древніх морських басейнів спільно з опадами, що накопичуються в них.. Води цих древніх морів і озер могли зберегтися в похованих опадах, а потім просочуватися в навколишні породи або виходити на поверхню Землі. Такі підземні води звуться седиментаційних вод .

Частина підземних вод за походженням може бути пов'язана з остиганням розплавленої магми. Виділення водяної пари з магми підтверджується утворенням хмар і злив при виверженнях вулканів. Підземні води магматичного походження називаються ювенільними (Від лат. "Ювеналіс" - незайманий). Як вважає океанолог X. Райт, великі водні простори, які існують в даний час, "виростали крапля за краплею протягом усього життя нашої планети за рахунок води, що просочується з надр Землі".

Умови залягання, поширення та утворення ГВ залежать від клімату, рельєфу, геологічної будови, впливу річок, ґрунтового та рослинного покриву, від господарських факторів.

а) Зв'язок ГВ із кліматом.

В утворенні гірських вод важлива роль належить опадам та випаровуваності.

Щоб проаналізувати зміну цього співвідношення, доцільно скористатися картою забезпеченості рослин вологою. По відношенню опадів до випаровування виділено 3 зони (області):

1. достатнього зволоження

2. недостатнього

3. незначного зволоження

У першій зоні зосереджено основні площі перезволожених земель, що потребують осушення (в окремі періоди тут необхідно зволоження). Області недостатнього та незначного зволоження потребують штучного зволоження.

У трьох областях харчування ГВ опадами та теплоти їх у зону аерації різні.

В області достатнього зволоження інфільтраційне харчування ґрунтових вод при глибині залягання понад 0,5 - 0,7 м переважає над тепловим їх у зону аерації. Ця закономірність спостерігається в невегетаційний та у вегетаційний періоди, за винятком сильно посушливих років.

В області недостатнього зволоження співвідношення інфільтрації опадів з випаровуванням ГВ при неглибокому заляганні їх по-різному в лісостеповій та степовій зонах.

У лісостепах у суглинистих породах у вологі роки інфільтрація переважає над тепловим ГВ у зону аерації, у посушливі роки – зворотне співвідношення. У степовій зоні в суглинних породах у невегетаційний період інфільтраційне харчування переважає над тепловим ГВ, а у вегетаційний період – менше витрати. Загалом протягом року інфільтраційне харчування починає переважати над тепловим грунтовим водам.

В області незначного зволоження – у напівпустелях та пустелях – інфільтрація у суглинистих породах при неглибокому заляганні УГВ незрівнянно мала порівняно з витратою в зону аерації. У піщаних породах інфільтрація починає зростати.

Таким чином, харчування ГВ за рахунок опадів зменшується, а витрата в зону аерації зростає з переходом від достатньої області до області незначного зволоження.

б) Зв'язок ґрунтових вод з річками.

Форми зв'язку ґрунтових вод з річками визначаються рельєфом та геоморфологічними умовами.

Глибоко врізані річкові долини є приймачем грунтових вод, дренуючи прилеглі землі. Навпаки при невеликому врізі, властивому пониззі річок, річки живлять ґрунтові води.

Різні випадки співвідношення поверхневих та ґрунтових вод показані на схемі.

Принципова розрахункова схема взаємодії підземних та поверхневих вод в умовах мінливості поверхневого стоку.

а - межень; б - висхідна фаза повені; в - низхідна фаза повені.

в) Зв'язок ґрунтових вод із напірними.

Якщо між ґрунтовими водами та нижчим напірним горизонтом немає абсолютно водонепроникного шару, то між ними можливі такі форми гідравлічного зв'язку:

1) УГВ вище за рівень напірних вод, внаслідок чого можливе перетікання ГВ у напірні.

2) Рівні практично збігаються. При зниженні УГВ, наприклад, дренами, відбуватиметься підживлення ГВ напірними.

3) УГВ періодично перевищують рівень напірних вод (під час поливів, опадів), решта ГВ підживлюються опадами.

4) УГВ постійно нижче УНВ, тому останні підживлюють ґрунтові води.

Ґрунтові води можуть отримувати харчування з артезіанських вод і через так звані гідрогеологічні вікна – ділянки, де порушується суцільність водотривкого пласта.

Можливе підживлення УВ напірними через тектонічні розломи.

Гідродинамічні зони ГВ, що визначаються рельєфом та геологічною будовою, тісно пов'язані з геоструктурними умовами території. Зони високої дренованості властиві гірським та передгірним областям. Зони низької дренованості характерні для прогинів і западин платформних рівнин.

Зональність живлення ГВ найвиразніше проявляється у зоні низької дренованості аридних областей. Вона полягає у послідовному збільшенні мінералізації ГВ з віддаленням від джерела живлення річки, каналу та ін. Тому в посушливих районах колодязі для водопостачання зазвичай розміщують уздовж каналів, річок.

4. Умови утворення та залягання артезіанських вод.

Артезіанські води утворюються при певному геологічному будові - чергуванні водопроникних пластів водостійкими. Вони приурочені в основному до синклінально або моноклінально залягає повіт пластів.

Площа розвитку одного чи кількох артезіанських пластів називається артезіанським басейном. АБ можуть займати від кількох десятків до сотень тисяч км2.

Джерела живлення напірних вод - опади, фільтраційні води річок, водосховищ, зрошувальних каналів та ін. Напірні води за певних умов поповнюються ґрунтовими водами.

Витрата їх можливе шляхом розвантаження їх у річкові долини, виходу на поверхню у формі джерел, повільного височування через пласти, що укладають напірний шар, з перетіканням у ґрунтові води. Відбір АВ для водопостачання та зрошення також становлять статті їх витрачання.

В артезіанських басейнах розрізняють галузі харчування, напору та розвантаження.

Область харчування - площа виходу артезіанського пласта поверхню землі, де відбувається його харчування. Вона розташовується на найвищих відмітках рельєфу артезіанського басейну у гірських областях та вододілах тощо.

Область напору – основна площа поширення артезіанського басейну. У її межах підземні води мають натиск.

Область розвантаження - площа виходу напірних вод на поверхню - відкрите розвантаження (у формі висхідних джерел або площа прихованого розвантаження, наприклад, в руслі річок і т.д.)

Свердловини, що розкривають АВ, фонтанують, це приклад штучного розвантаження напірних вод.

У пластах, що містять гіпси, ангідриди, солі, артезіанські води мають підвищену мінералізацію.

Типи та зональність артезіанських вод

Артезіанські басейни зазвичай типізують по геоструктурі водовмісних та водотривких порід.

За цією ознакою виділяють два типи артезіанських басейнів (за Н.І. Толстихіним):

1. артезіанські басейни платформ, що характеризуються зазвичай дуже значною площею розвитку та наявністю кількох напірних водоносних горизонтів (це Московський, Прибалтійський, Дніпро-Донецький та ін.)

2. артезіанські басейни складчастих областей, приурочені до інтенсивно дислокованих осадових, магматичних та метаморфічних пород. Відрізняються меншою площею розвитку. Приклади - Ферганський, Чуйський та ін басейни.

5. Геологічна діяльність підземних вод.

Підземні води проводять руйнівну та творчу роботу. Руйнівна діяльність підземних вод проявляється головним чином у розчиненні водорозчинних гірських порід, чому сприяє утримання у воді розчинених солей та газів. Серед геологічних процесів, зумовлених діяльністю ПВ, насамперед слід називати карстові явища.

Карст.

Карстом називається процес розчинення гірських порід пересувається в них підземним і поверхневими водами, що просочується. В результаті карсту в породах утворюються печери та порожнечі різної формита розміру. Протяжність їх може сягати багатьох кілометрів.

З карстових систем найбільшу довжину має Мамонтова печера (США), загальна довжина ходів якої становить близько 200 км.

Карсту піддаються солоносні породи, гіпси, ангідриди та карбонатні породи. Відповідно і розрізняють карст: соляний, гіпсовий, карбонатний. Розвиток карсту починається з розширення (під впливом вилуговування) тріщин. Карст зумовлює специфічні форми рельєфу. Головна особливість його - наявність карстових вирв діаметром від декількох до сотень метрів і глибиною до 20 - 30 м. Карст розвивається тим інтенсивніше, чим більше випадає опадів і чим більша швидкість руху підземних потоків.

Райони, схильні до карсту, характеризуються швидким поглинанням опадів.

У межах масивів закарстованих порід виділяють зони низхідного руху води та горизонтального – у бік річкових долин, моря тощо.

У карстових печерах спостерігаються натічні утворення переважного карбонатного складу - сталактити (наростають вниз) і сталагміти (зростають знизу). Карст послаблює гірські породи, знижує їхню кількість як основу для ГТС. По карстових порожнечах можливий значний витік води з водосховищ і каналів. І водночас підземні води, укладені в закарстованих породах, можуть бути цінним джерелом для водопостачання та зрошення.

До руйнівної діяльності підземних вод відноситься суфозія (підкопування) - це механічне винесення дрібних частинок з пухких порід, що призводить до утворення порожнин. Такі процеси можуть спостерігатися в лесах та лісоподібних породах. Крім механічної розрізняють хімічну суффозію, прикладом якої є карст.

Творча робота підземних вод проявляється у відкладенні ними різних сполук, що цементують тріщини у гірських породах.

Контрольні питання:

1 Дайте класифікацію підземних вод.

2. За яких умов утворюються ґрунтові води?

3. За яких умов утворюються артезіанські ґрунтові води?

4. У чому виявляється геологічна діяльністьпідземних вод?

5. Назвіть основні типи підземних вод.

6. Як впливає верховодка на будівництво?

У рідкому, твердому та газоподібному стані. Усі води, що знаходяться в товщі гірських порід у твердому, рідкому або газоподібному стані, називаються підземними

Підземні води також підрозділяють:

Підземні води залягають у товщі земної кори. Вони можуть там перебувати у різних фізичних станах. У надрах Землі води накопичуються і пересуваються по порожнечах, порах чи тріщин. Водонепроникні породи формують підземні водоносні системи, що пронизують усю земну кору. Підземні води досліджували багато російських гідрогеологів. У J 886 р. в Росії з'явилася перша офіційна посада гідрогеолога, заснована Таврійським губернським земством, яку зайняв М. А. Головкинський (1834 - 1897) - спеціаліст з підземних вод Причорномор'я. У другій половині XX ст. в Росії вийшли фундаментальні праці з гідрогеології: «Гідрологічна енциклопедія» та 50-томна праця «Гідрогеологія СРСР», а також підготовлена гідрогеологічна карта світу. Гідрогеологія перетворилася з вчення про підземні води в науку про підземну гідросферу.

Підземні води різноманітні за походженням та складом розчинених у них солей, на них впливають тиск товщ землі та глибинні зміни температури. Вони не тільки джерело чистої прісної води, а й важлива корисна копалина, що містить в розчиненому вигляді багато необхідних для господарської діяльності речовин. Гарячі підземні води можна також використовувати як джерело енергії, а мінеральні води – як харчовий та лікувальний продукт. Вченим ще слід досліджувати підземні води, які залягають у глибинах землі. Сама глибока свердловина, пробурена на Кольському півострові в Росії з науковою метою, поки досягла глибини трохи більше 12 км. Це свідчить, що вода є на великих глибинах.

Найважливішими властивостями ґрунтів стосовно води є:

· вологоємність;

· Водовіддача;

· Водопроникність.

Показники цих властивостей застосовуються при різних гідрогеологічних розрахунках.

Вологоємність– здатність ґрунтів вміщувати та утримувати певну кількість води.

За ступенем вологоємності ґрунти поділяють:

· Сильно вологоємні - торф, глини, суглинки;

· Слабовологоємні - крейда, мергель, супіски;

· Невологоємні - скельні грунти, піски, галечники.

Магматичні гірські породи утворилися внаслідок остигання магми, а також внаслідок гірничоосвітніх процесів. Внаслідок фізичного та хімічного вивітрювання вони поступово перетворювалися на пухкі гірські породи. Роздроблені частинки гірських порід переміщалися в знижені частини землі, де відкладалися, утворюючи осадові гірські породи. Якщо в процесі гороутворення вони виявилися близькими до поверхні землі, то під впливом хімічного вивітрювання утворювали великоскелетні або дрібнодисперсні ґрунти.

Грунтами будівельники називають верхні шари кори вивітрювання літосфери та відносять до них скельні, напівскельні та пухкі гірські породи.

У більшості випадків верхні шари земної кори складені великоуламковими, піщаними, пилувато-глинистими, органогенними та техногенними ґрунтами. Нижче поверхні землі ці дисперсні ґрунти мають майже повсюдне поширення. Більша частинадисперсних ґрунтів утворилася внаслідок накопичення продуктів фізичного та хімічного вивітрювання. Деякі ґрунти виникли внаслідок відкладення органічних речовин (наприклад, торф), а також у результаті штучного відсипання або намивання різних матеріалів (техногенні відкладення). У процесі фізичного вивітрювання утворилися великоуламкові та піщані ґрунти. Результатом хімічного та частково біологічного вивітрювання є мінерали, що становлять дрібнодисперсну частину пилувато-глинистих ґрунтів.

У більшості випадків ґрунти складаються з трьох компонентів: твердих частинок, води та повітря (або іншого газу), тобто складові частини ґрунту знаходяться в трьох станах: твердому, рідкому або газоподібному. Співвідношення цих компонентів зумовлює багато властивостей грунтів.

Якщо грунт складається з твердих частинок, всі пори між якими заповнені водою, він є двофазною системою. Найчастіше в грунті крім твердих частинок і води є повітря чи інший газ, або розчинений у питній воді, або у вигляді бульбашок. Такий ґрунт є трифазною системою.

Згадайте

Що відбувається з водою, що випала на землю із дощем? Через які гірські породи вода просочується швидше – піски чи глини? Що таке джерела (ключи)? Чому у джерелі вода холодна навіть улітку?

Як утворюються підземні води?Вода в земній корі знаходиться у трьох станах: рідкому, газоподібному та твердому. Вода та водяна пара заповнюють проміжки між частинками гірських порід.

Вода в твердому стані - це кристали та прошарки льоду в промерзлих породах.

Підземні води - це води, що у гірських породах земної кори.

Підземних вод набагато більше, ніж поверхневих вод суші – річок, озер, боліт. Вони виникають за рахунок просочування в глиб землі атмосферних опадів. Найважливіша умова утворення підземних вод – здатність гірських порід пропускати воду. Розрізняють водопроникні та водонепроникні (водостійкі) породи (рис. 142).

Рис. 142. Водопроникність гірських порід

Гірські породи, що пропускають воду, називаються водопроникними. Це пухкі пористі (пісок, галька, гравій) або тверді, але тріщинуваті породи (вапняк, піщаник, сланець). Чим більші частки і пори, тим краще водопроникність. Гірські породи, що не пропускають воду, - водонепроникні, або водотривкі. Це глини або будь-які тверді породи, що не розтріскалися.

Вода з поверхні просочується через водопроникні породи до тих пір, поки не зустрічає на своєму шляху водостійкі шари. Тут вона затримується, поступово заповнюючи пори чи тріщини водопроникних порід. Пласти, насичені водою, утворюють водоносні шари (рис. 143). Вода в них тече вниз по нахиленої поверхні водостійкого шару.

Якими бувають підземні води?Через чергування порід з різною водопроникністю у земній корі на різній глибині може бути кілька водоносних верств. Пухкі та пористі породи змінюються водотривкими, потім знову водопроникними і знову водотривкими. Залежно від положення водоносних шарів розрізняють ґрунтові та міжпластові підземні води (див. рис. 143).

Рис. 143. Підземні води

Води верхнього водоносного горизонту, розташованого першому водоупорном шарі, називаються грунтовими. Міжпластові води розташовуються між двома водотривкими шарами. Сюди вода з поверхні потрапляє лише через місця, де водоносні шари виходять поверхню.

Глибина та товщина шару ґрунтових вод залежать від геологічної будови території, рельєфу та клімату. На рівнинах з холодним і вологим кліматомґрунтові води можуть підходити до самої поверхні, сприяючи утворенню боліт. Якщо клімат жаркий і сухий, ґрунтові води розташовуються на великій глибині. Глибина шару ґрунтових вод може змінюватися за сезонами року. У Росії навесні ґрунтові води розташовуються ближче до поверхні, а влітку далі від неї.

У пористих породах надр найбільшої пустелі світу Сахари є великі запаси підземних прісних вод. Їх так багато, що вони можуть забезпечити потреби всіх країн, що розташовані на території пустелі. Однак, ці води залягають на глибині 150-200 м від поверхні.

Ґрунтові води часто виходять поверхню, утворюючи джерела (джерела, ключі) у пониженнях рельєфу: річкових долинах, ярах. Міжпластові води видобувають за допомогою спеціально пробурених свердловин. Іноді вода б'є через свердловину фонтаном. Такі води називають артезіанськими (рис. 144).

Рис. 144. Артезіанські води

Артезіанські води утворюються у увігнутих шарах гірських порід. Вода опиняється тут під великим тискомтому вона фонтанує при розтині свердловини.

Не всі підземні води прісні. Деякі з них містять багато розчинених речовин та газів. Такі води називають мінеральними. На високих глибинах у товщі земної кори зростає температура. Тому тут підземні води стають теплими та навіть гарячими.

Якщо товщі земної кори складені легко розчинними породами (вапняками, гіпсом, солями), то підземні води вимивають у яких численні порожнечі, порожнини, печери (рис. 145). Таке явище природи, а також форми рельєфу на поверхні та в товщах гірських порід називаються карстом.

Рис. 145. Форми карсту

Вода не просто створює карстові печери. Вона прикрашає їх мальовничими кам'яними скульптурами. З крапель, що просочуються зі стелі печер, як бурульки, наростають вниз сталактити. З крапель, що падають на підлогу печери, знизу поступово ростуть стовпчики – сталагміти. Ці форми іноді зростаються одна з одною в єдині колони.

Запитання та завдання

Звідки вода потрапляє у товщу земної кори?
Назвіть види підземних вод.
Що таке джерело? Де він утворюється?
Де утворюються карстові печери?