Бурение грунтовых зондов, установка энергетических колодцев

Подземные воды

Все воды земной коры, находящиеся ниже поверхности Земли в горных породах в газообразном, водянистом и твёрдом состояниях, именуются подземными водами.

Подземные воды составляют часть гидросферы – аква оболочки земного шара. Они встречаются а буровых скважинах на глубине до нескольких км. По данным В.И. Вернандского, подземные воды могут существовать до глубины 60 км в связи с тем, что молекулы воды даже при температуре 2000о С диссоциированы всего на 2%

Ориентировочные подсчёты припасов пресной воды в недрах Земли до глубины 16 км дают величину 400 миллионов кубических км, т.е. около 1/3 вод Мирового океана.

Скопление познаний о подземных водах, начавшееся с древних времен, ускорилось с возникновением городов и поливного земледелия. Искусство сооружения копаных колодцев до несколько 10-ов метров было понятно за 2000-3000 тыщи лет до н.э. в Египте, Средней Азии, Индии, Китае. В тот же период появилось и исцеление минеральными водами.

В первом тысячелетии до нашей эпохи появились 1-ые представления о свойствах и происхождении природных вод, критериях их скопления и круговороте воды на Земле (в работах Фалеса и Аристотеля – в Старой Греции; Тита Лукреция Кара и Витрувий – в Старом Риме, и др.).

Исследованию подземных вод содействовало расширение работ, связанных с водоснабжением, строительством каптажных сооружений (к примеру, кяризов у народов Кавказа, Ср. Азии), добычей соленых вод для выпаривания соли методом рытья колодцев, а потом и бурения (территория Рф, 12-17 века). Позднее появились понятия о водах ненапорных, напорных (поднимающихся снизу ввысь) и самоизливающихся. Последние получили заглавие артезианских — от провинции Артуа (древнее заглавие «Артезия») во Франции.

В эру Возрождения и позже подземным водам и их роли в природных процессах были посвящены работы многих ученых — Агриколлы, Палисси, Стено и др.

В Рф 1-ые научные представления о подземных водах как о природных смесях, их образовании методом инфильтрации осадков и геологической деятельности подземных вод были высказаны М.В. Ломоносовым в сочинении «О слоях земных» (1763 г.).

До середины 19 века учение о подземных водах развивалось как составная часть геологии. Потом оно обособляется в отдельную дисциплину — гидрологию.

Общая гидрогеология изучает происхождение подземных вод, их физические и хим характеристики, взаимодействие с вмещающими горными породами.

Исследование подземных вод в связи с историей тектонических движений, процессов осадконакопления и дианогенеза позволило подойти к истории их формирования и содействовало возникновению в 20 веке новейшей отрасли гидрогеологии — палеогидрогеологии (учение о подземных водах прошедших геологических эпох).

Динамика подземных вод изучает движение подземных вод пол воздействием естественных и искусственных причин, разрабатывает способы количественной оценки производительности эксплуатационных скважин и припасов подземных вод.

Учение о режиме и балансе подземных вод рассматривает конфигурации в подземных водах (их уровне, температуре, хим составе, критериях питания и движения), которые происходят под воздействием разных природных причин (осадков, и критериях их инфильтрации, испарения, температуры и влажности воздуха и почвенного слоя, воздействия режимов поверхностных водоемов, рек, техногенной деятельности человека).

Во 2-ой половине 20 века начали разрабатываться способы прогноза режима подземных вод, что имеет принципиальное практическое значение при эксплуатации подземных вод, гидротехническом строительстве, орошаемом земледелии и решении других вопросов.

На данный момент из 510 миллионов квадратных км площади земного шара 361 млн. кв. км (70,7 %) занимают моря и океаны, образуя единый Мировой океан, другие 149 (29,3 %) млн. кв. км занимает суша. В северном полушарии на долю суши приходится 39,3 % площади полушария, в южном – 19,1 %. Об удельном весе частей влагооборота и их воздействии на общий оборот воды в природе можно судить по данным, приводимым ниже:

Таблица 1

Наименование показателя

Объем

1. Испарения с океана

2. Испарения с суши

3. суммарное испарение

4. Осадки на поверхность океана

5. Осадки на поверхность суши

6. Суммарные осадки

7. Сток рек и подземных вод

447,9 тыс. км3

70,7 тыс. км3

518,6 тыс. км3

411,6 тыс. км3

107,0 тыс. км3

518,6 тыс. км3

36,3 тыс. км3

Под воздействием солнечной энергии с поверхности Мирового океана испаряется в среднем около 450,0 тыс. км3 воды. Некая часть этой воды в виде пара переносится воздушными течениями на континенты.

При определенных критериях водяные пары конденсируются и выпадают в виде дождика, снега, града и т.п. Выпавшие на сушу осадки стекают по склонам местности, образуя ручьи и реки, которые несут свои воды вновь в Мировой океан.

Часть выпавших осадков испаряется, часть проникает в землю, образуя подземные воды, которые подземным стоком поступают в ручьи и реки и, таким макаром, также ворачиваются в океан. Этот замкнутый процесс обмена меж атмосферой и земной поверхностью именуется круговоротом воды в природе.

Таким макаром, водность рек, применяемых в народном хозяйстве в качестве источников воды, связана с влагооборотом Земли и находится в зависимости от рассредотачивания воды меж отдельными элементами круговорота воды в природе.

происхождение подземных вод

Подземные воды формируются в главном из вод осадков, выпадающих на земную поверхность и просачивающихся вод (инфильтрующих) в землю на некую глубину, и из вод из болот, рек, озер и водохранилищ, также просачивающихся в землю. Количество воды, прогоняемой таким макаром в почву, составляет 15-20 % полного количества осадков.

Проникновение вод в грунты (водопроницаемость), слагающих земную кору, находится в зависимости от физических параметров этих грунтов. В отношении водопроницаемости грунты делятся на три главные группы: водопроницаемые, полупроницаемые и водонепроницаемые либо водоупорные.

К водопроницаемым породам относятся крупнообломочные породы, галечник, гравий, пески, трещиноватые породы и т.д. К водонепроницаемым породам – массивнокристаллические породы (гранит, мрамор), имеющие наименьшую впитывать в себя воду, и глины. Последние, пропитавшись водой, в предстоящем ее не пропускают. К породам полупроницаемым относятся глинистые пески, рыхловатые песчаники, рыхлые мергели и т.п.

Подземные воды в земной коре распределены в 2-ух этажах. Первый этаж, сложенный плотными магматическими и метаморфическими породами, содержит ограниченное количество воды. Основная масса воды находится в верхнем слое осадочных пород. В нем по нраву водообмена с поверхностными водами выделяют три зоны: зону свободного водообмена (верхнюю), зону замедленного водообмена (среднюю) и зону очень замедленного водообмена (нижнюю). Воды верхней зоны обычно пресные и служат для питьевого, хозяйственного и технического водоснабжения. В средней зоне размещаются минеральные воды различного состава. Это – древнейшие воды. В нижней зоне находятся высокоминерализованные рассолы. Из их добывают бром, иод и другие вещества.

Подземные воды образуются разными методами. Один из главных методов образования подземной воды – просачивание, либо инфильтрация, осадков и поверхностных вод (озёр, рек, морей и т.д.). По этой теории, просачивающаяся вода доходит до водоупорного слоя и скапливается на нём, насыщая породы пористого и пористо-трещинноватого нрава. Таким макаром появляются водоносные слои, либо горизонты подземных вод. Поверхность грунтовых вод, именуется зеркалом грунтовых вод. Расстояние от зеркала грунтовых вод до водоупора именуют мощностью водоупорного слоя.

Количество воды, просочившийся в грунт, зависит не только лишь от его физических параметров, да и от количества осадков, наклона местности к горизонту, растительного покрова и др. При всем этом долгий моросящий дождик делает наилучшие условия для просачивания, чем обильный ливень, потому что чем лучше осадки, тем с большей скоростью выпавшая вода стекает по поверхности земли.

Крутые склоны местности наращивают поверхностный сток и уменьшают просачивание осадков в грунт; пологие, напротив, наращивают их просачивание. Растительный покров (лес) наращивает испарение выпавшей воды и в то же время увеличивает выпадение осадков. Задерживая поверхностный сток, он содействует просачиванию воды в грунт.

Для многих территорий земного шара инфильтрация является главным методом образования подземных вод. Но имеется и другой путь их образования – за счёт конденсации водяных паров в горных породах. В тёплое время года упругость водяного пара в воздухе больше, чем в почвенном слое и нижележащих горных породах. Потому водяные пары атмосферы безпрерывно поступают в почву и опускаются до слоя неизменных температур, размещенного на различных глубинах – от 1-го до нескольких 10-ов метров от поверхности земли. В этом слое движение паров воздуха прекращается в связи с повышением упругости водяных паров при повышении температуры в глубине Земли. Вследствие этого появляется встречный поток водяных паров из глубины Земли ввысь – к слою неизменных температур. А в зоне неизменных температур в итоге столкновения 2-ух потоков водяных паров происходит их конденсация с образованием подземной воды. Такая конденсационная вода имеет огромное значение в пустынях, полупустынях и сухих степях. В жаркие периоды года она является единственным источником воды для растительности. Таким же методом появились главные припасы подземной воды в горных районах Западной Сибири.

Оба метода образования подземных вод – оковём инфильтрации и за счёт конденсации водяных паров атмосферы в породах – главные пути скопления подземных вод. Инфильтрационные и конденсационные воды время от времени именуются вандозными водами (от лат. «vadare» – идти, двигаться). Эти воды образуются из воды атмосферы и участвуют в общем круговороте воды в природе.

Некие исследователи отмечают очередной метод образования подземных вод – ювениальные. Многие выходы этих вод в районах современной либо недавнешней вулканической активности характеризуются завышенной температурой и значимой концентрацией солей и летучих компонент. Для разъяснения генезиса таких вод австрийский геолог Э. Зюсс в 1902 году выдвинул теорию ювенильного (от лат. «juvenilis» – девственный). Такие воды, как считал Зюсс, образовались из газообразных товаров, в обилии выделяющихся при вулканической активности и дифференциации магматической лавы.

Более поздние исследования проявили, что незапятнанных ювенильных вод, как их осознавал Э. Зюсс, в поверхностных частях Земли не существует. В природных критериях подземные воды, возникшие различными методами, смешиваются вместе, приобретая те либо другие характеристики. Но определение генезиса подземных вод имеет огромное значение: оно упрощает подсчёт припасов, выяснение режима и их качество.

Уровень грунтовых вод подвержен неизменным колебаниям. Так, во время вешнего половодья и паводков уровень воды в реке, поднимаясь выше уровня речного потока, направленного к реке, вызывает отток воды из нее и подъем уровня грунтовых вод. Это понижает высоту уровня вешних половодий. На спаде грунтовые воды начинают питать реку, и уровень грунтовых вод снижается.

Грунтовые воды могут создаваться за счет искусственных гидротехнических сооружений к примеру таких, как ирригационные каналы. Так, при строительстве Каракумской ирригационной системы за счет переброса части стока сибирских рек, в пустынной части существенное количество воды уходило не столько на поливные нужды, сколько на испарение и в грунт. Вышло это вследствие того, что большая часть ирригационной системы проходила по песочным почвам, где коэффициент фильтрации довольно высок, и невзирая на противофильтрационные меры, падения уровней воды за счет фильтрации воды в грунт были значительны. Все это, кроме уменьшения стока рек, приводило к тому, что находящиеся в грунте соли растворялись грунтовыми водами, и при движении подводных потоков назад в канал происходило его засоление и загрязнение илом.

Систематизация подземных вод
условия их залегания

Существует несколько классификаций подземных вод.

По условиям движения в водоносных слоях различают подземные воды, циркулирующие в рыхловатых (песочных, гравийных и галечниковых) слоях и в трещиноватых скальных породах.

Подземные воды, перемещающиеся под воздействием силы тяжести, именуются гравитационными, либо свободными, в отличие от вод, связанных, удерживаемых молекулярными силами, — гигроскопических, плёночных, капиллярных и кристаллизационных.

Зависимо от нрава пустот водовмещающих пород подземные воды делятся на:

• поровые — в песках, галечниках и др. обломочных породах;

• трещинные (жильные) — в скальных породах (гранитах, песчаниках);

• карстовые (трещинно-карстовые) — в растворимых породах (известняках, доломитах, гипсах и др.).

По условиям залегания выделяют три типа подземных вод: верховодку, грунтовые и напорные, либо артезианские.

Верховодкой именуются подземные воды, залегающие поблизости поверхности земли и отличающиеся непостоянством распространения. Обычно верховодка приурочена к линзам водоупорных либо слабо проницаемых горных пород, перекрываемых водопроницаемыми толщами.

Верховодка занимает ограниченные местности, это явление – временное, и происходит оно в период достаточного увлажнения; в засушливое время гола верховодка исчезает. Верховодка относится к первому от поверхности земли водоупорному пласту. В тех случаях, когда водоупорный пласт залегает поблизости поверхности либо выходит на поверхность, в дождливые сезоны развивается заболачивание.

К верховодке часто относят почвенные воды, либо воды почвенного слоя. Почвенные воды представлены практически связанной водой. Капельно-жидкая вода в почвах находится исключительно в период лишнего увлажнения.

Грунтовые воды. Грунтовыми именуются воды, залегающие на первом водоупорном горизонте ниже верховодки. Обычно они относятся к водонепроницаемому пласту и характеризуются более либо наименее неизменным притоком воды. Грунтовые воды могут скапливаться как в рыхловатых пористых породах, так и в твёрдых трещиноватых коллекторах. Уровень грунтовых вод представляет собой неровную поверхность, повторяющую, обычно, выпуклости рельефа в сглаженной форме: на возвышенностях он ниже, в пониженных местах – выше.

Грунтовые воды передвигаются в сторону снижения рельефа. Уровень грунтовых вод подвержен неизменным колебаниям — на него оказывают влияние разные причины: количество и качество выпадающих осадков, климат, рельеф, наличие растительного покрова, хозяйственная деятельность человека и почти все другое.

Грунтовые воды, накапливающиеся в аллювиальных отложениях – один из источников водоснабжения. Они употребляются как питьевая вода, для полива. Выходы подземных вод на поверхность именуются источниками, либо ключами.

Напорные, либо артезианские воды. Напорными именуют такие воды, которые находятся в водоносном слое, заключенном меж водоупорными слоями, и испытывают гидростатическое давление, обусловленное разностью уровней в месте питания и выхода воды на поверхность. Область питания у артезианских вод обычно лежит выше области стока воды и выше выхода напорных вод на поверхность Земли. Если в центре таковой чаши заложить артезианскую скважину, то вода из нее будет вытекать в виде фонтана по закону сообщающихся сосудов.

Размеры артезианских бассейнов бывают очень значительными – до сотен и даже тыщи км. Области питания таких бассейнов часто существенно удалены от мест извлечения воды. Так, воду, выпавшую в виде осадков на местности Германии и Польши, получают в артезианских скважинах, пробуренных в Москве; в неких оазисах Сахары получают воду, выпавшую в виде осадков над Европой.

Артезианские воды характеризуются всепостоянством воды и неплохим качеством, что важно для её практического использования.

По происхождению выделяется несколько типов подземных вод.

Инфильтрационные воды образуются благодаря просачиванию с поверхности Земли дождевых, талых и речных вод. По составу они в большей степени гидрокарбонатно-кальциевые и магниевые. При выщелачивании гипсоносных пород формируются сульфатно-кальциевые, а при растворении соленосных — хлоридно-натриевые воды.

Конденсационные подземные воды образуются в итоге конденсации водяных паров в порах либо трещинках пород.

Седиментационные воды формируются в процессе геологического осадкообразования и обычно представляют собой модифицированные захороненные воды морского происхождения — хлоридно-натриевые, хлоридно-кальциево-натриевые и др. К ним же относятся погребённые рассолы солеродных бассейнов, также ультрапресные воды песочных линз в моренных отложениях.

Воды, образующиеся из магмы при её кристаллизации и вулканическом метаморфизме горных пород, именуются магматогенными, либо ювенильными (по терминологии Э. Зюсса).

питание рек подземными водами и расчет подземного стока

Подземные воды служат надежным источником питания рек. Они действуют круглый год и обеспечивают питание рек в зимнюю и летнюю межень (либо при низких уровнях стояния горизонта воды), когда поверхностный сток отсутствует.

При очень замедленных скоростях движения грунтовых вод, по сопоставлению с поверхностными, подземные воды в речном стоке выступают как регулирующий фактор.

Также, при очень замедленных либо маленьких скоростях движения грунтовых вод, на реках Последнего Севера при низких температурах воздуха, наблюдается перемерзание (полное либо частичное) реки, тогда и вода входит с подпорной части того водоема, в которую впадает река (это может быть основная река, море, озеро и т.п.). Такие явления наблюдаются, к примеру, в п. Нижнеянск, который находится в 25 км от устья р.Яны, где в период стояния низких температур и полного перемерзания реки на перекатах, с подпора в русло реки выше по течению от места перемерзания, входит соленая вода из Северного Ледовитого океана.

Количественной мерой питания служит значение подземного стока, который, в свою очередь, характеризуется так именуемым модулем подземного стока:

Мподз. = К•М0/100,

где Мподз. – модуль подземного стока, л/сек с 1 км2 водосборной площади;

М0 – средний долголетний модуль общего стока, л/сек с 1 км2 поверхностного водосборного бассейна;

К – модульный коэффициент, показывающий процент подземного стока в общем стоке и определяемый по формуле

К=Мmin/М0,

где Мmin — малый модуль стока, л/сек с 1 км2 поверхностного водосборного бассейна, определяемый по зимнему расходу реки и равный модулю подземного стока, т.к. реки зимой питаются в большей степени подземными водами.

Модуль подземного стока является надёжным показателем для оценки водоносности горных пород, распространённых на площади водосборного бассейна какой-нибудь реки, т.к. он представляет собой то количество подземной воды (в л/сек), поступающее в реку с 1 кв. км того либо другого водоносного горизонта, дренируемого рекой.

Не считая этих формул, величина подземного стока может быть определена гидрохимическим способом (по А.Т. Иванову):

где Qподз – годичный объём подземного стока;

Q0 – годичный объём речного стока;

с — концентрация какого-нибудь компонента (к примеру, хлора) в речной воде в период наблюдений;

c1 – концентрация такого же компонента в подземных водах в тот же период;

c2 — концентрация такого же компонента в поверхностных водах в тот же период.

Согласно Б.И. Куделину, для более четкого расчёта подземного стока малых и средних рек предлагается различать четыре типа питания рек подземными водами:

1. Питание грунтовыми водами, гидравлически не связанными с рекой;

2. Питание грунтовыми водами, гидравлически связанными с рекой;

3. Смешанное грунтовое питание (a+b);

4. Смешанное грунтовое и артезианское питание (a+b+c).

Согласно этих данных Б.И. Куделиным были предложены формулы для определения слоя hподз и коэффициента подземного стока ?подз. Слой подземного стока выражается в миллиметрах в год (либо хоть какой другой единице времени) с 1-го квадратного километра площади подземного бассейна и рассчитывается как:

где hподз – слой подземного стока, мм/год;

Qподз – объем подземного стока с площади бассейна, м3/год;

F – площадь бассейна, м2.

Коэффициент подземного стока ?подз представляет собой отношение подземного стока к осадкам, выпавшим на площадь данного речного водосборного бассейна, и указывает ту часть осадков, которая идёт на питание подземных зон очень насыщенного водообмена в бассейне:

где x – слой осадков, мм/год.

Расчёты подземного стока обычно обобщаются в виде карт подземного питания, коэффициентов и модулей подземного стока, отражающих естественные ресурсы разных видов подземных вод, развитых в границах малых и средних речных бассейнов и их отдельных районов и участков.

Главные трудности использования и защиты подземных вод

В силу собственного местопребывания подземные воды лучше защищены от наружных воздействий, чем поверхностные, но имеются серьёзные симптомы неблагоприятного конфигурации режима подземных вод на огромных площадях и в широком спектре глубин. К ним относятся: истощение и снижение уровня подземных вод из-за лишнего отбора; внедрение на побережье морских солёных вод; образование депрессионных воронок и другие.

Огромную опасность представляет загрязнение подземных вод. Можно выделить два типа загрязнений – бактериальное и хим. В определённых критериях в водоносные горизонты могут просачиваться сточные и техногенные промышленные воды, загрязнённые поверхностные воды и осадки.

При разработке водохранилищ в итоге подпора происходит увеличение уровня грунтовых вод. Положительным следствием такового конфигурации режима является повышение их ресурсов в прибрежной зоне водохранилища; отрицательными – подтопление прибрежной зоны, что вызывает заболачивание местности, а так же засоление почв и грунтовых вод вследствие завышенного их испарения при неглубоком залегании.

Ввиду маленьких паводковых явлений (либо вообщем их отсутствия) на зарегулированных реках паводочное питание подземных вод существенно уменьшено. Скорости течения на таких реках понижаются, что содействует заилению русла; потому связь речных и подземных вод затруднена.

В определённых критериях отбор подземных вод может оказать существенное воздействие на качество поверхностных вод. Сначала это относится к промышленной эксплуатации и сбросу минерализованных вод, сбросу шахтных и попутных нефтяных вод. Потому должно предусматриваться всеохватывающее внедрение и регулирование ресурсов поверхностных и подземных вод. Примерами такового подхода могут служить внедрение подземных вод для орошения в маловодные годы, а так же искусственное восполнение припасов подземных вод и сооружение подземных водохранилищ.

К.х.н. О.В. Мосин

перечень литературы

1. Новиков Ю.В., Сайфутдинов М.М. Вода и жизнь на Земле. – М.: Наука, 1981. – 184 с.

2. Киссин И.Г. Вода под землёй. – М.: Наука, 1976. – 224 с.

3. Бондарев В.П. Геология. Курс лекций: Учебное пособие для студентов учреждений среднего проф образования. – М.: Форум: Инфра М., 2002. – 224 с.

4. Горошков И.Ф. Гидрологические расчёты. – Л.: Гидрометеоиздат, 1979. – 432 с.

5. Черданцев В.А., Пивон Ю.И. Методические указания по дисциплине: «Гидрология». – Новосибирск: НГАЭиУ, 2004, 112 с.

6. Справочное управление гидрогеолога. В 2 томах. Под ред. В.П. Якуцени. – Л.: Недра, 1967. – Т.1. – 592с.

Комментарии запрещены.