Сесёлкин И.В. Основы геологии и гидрогеологии

Подождите немного. Документ загружается.

атмосферой. Отсутствие водоупорной кровли обеспечивает питание

водоносного горизонта за счет инфильтрации атмосферных осадков

через зону аэрации.

6 Происхождение подземных вод

Большинство ученых делят подземные воды по происхождению

на инфильтрационные, седиментационные, конденсационные и юве-

нильные. Наибольшее значение в формирование запасов подземных

вод имеют воды инфильтрационные и седиментационного происхож-

дения.

Инфильтрационные воды - к ним относятся практически все

грунтовые воды и большая часть артезианских вод. Образуются в ре-

зультате просачивания с поверхности земли осадков

и поверхностных

вод в пустоты горных пород.

Конденсационные воды - образуются путем конденсации атмо-

сферной влаги при понижении температуры воздуха, находящегося в

порах пород. Наибольшее значение эти воды имеют в районах с резки-

ми перепадами температур, например, в пустынях, высокогорных рай-

онах.

Седиментационные воды - образуются за счет вод водоемов, в

которых

происходило накопление осадочных пород. При уплотнении

осадков водоемов происходит отжатие иловых (поровых) вод. Вначале

отжимается гравитационная вода, далее рыхлосвязанная, а при боль-

ших давлениях и прочносвязанная вода. Эти воды, сохранившееся в

глубоких частях закрытых гидрогеологических и нефтегазоносных

структур, отличаются высокой минерализацией и представляют инте-

рес как сырье для химической промышленности

и как лечебные мине-

ральные воды.

Ювенильные воды - образуются при извержении и застывании

магмы, а также выделяются при метаморфизации минералов и горных

пород. На данной стадии развития Земли не играют заметной роли.

7 Классификация подземных вод

Известны классификации подземных вод, предложенные Ф.П.

Саваренским, О.К. Ланге, А.М. Овчинниковым и др. В основу класси-

фикаций положены различные признаки.

Подземные воды, заключённые в порах, например в песчаных по-

родах, называют поровыми, в трещинах – трещинными. Различают

подземные воды по возрасту водовмещающих пород – воды каменно-

угольных, четвертичных отложений; по происхождению этих пород –

воды аллювиальных отложений, флювиогляциальных и др.

В зависимости от гидравлических свойств подземные воды могут

быть грунтовыми (безнапорными) и напорными (артезианскими

Иногда выделяют межпластовые воды, залегающие между водоне-

проницаемыми пластами. Эти воды могут быть как напорными, так и

безнапорными.

Наиболее часто применяется классификация подземных вод по

условиям залегания. Выделяют три основных типа: верховодку, грун-

товые и артезианские воды.

К грунтовым водам относятся подземные воды первого от по-

верхности постоянно действующего водоносного

горизонта, залегаю-

щего на относительно выдержанном водоупоре.

На всей площади развития эти воды могут получать питание

сверху – за счёт инфильтрации осадков и поверхностных вод. Их по-

верхность свободная, то есть давление на этой поверхности равно ат-

мосферному. В скважинах и колодцах, вскрывающих грунтовые воды,

уровень воды устанавливается на той глубине, на

которой был вскрыт.

На линзах и прослойках слабопроницаемых пород могут образо-

вываться временные водоносные горизонты, называемые верховодкой

(рис. 13). Водоупором для верховодки служат выклинивающиеся во-

донепроницаемые или слабопроницаемые пласты горных пород, линзы

глин и суглинков, менее трещиноватые зоны пород в коре выветрива-

ния. Верховодка образуется в результате просачивания осадков, по-

верхностных

вод во всех случаях, когда скорость поступления на та-

кие прослойки больше, чем скорость просачивания воды через них.

Мощность верховодки может достигать 5 м (обычно она не более 2 м),

и её можно использовать для сезонного хозяйственно-питьевого водо-

снабжения. Верховодка при интенсивном питании может сливаться с

водоупора, пополняя грунтовые воды.

Как

и грунтовые воды, верховодка имеет свободную поверхность

с наличием над ней капиллярной каймы.

Особенностями верховодки как своеобразного типа подземных

вод являются:

- расположение её в пределах зоны аэрации;

- временный характер, сезонность;

- ограниченность распространения (локальный характер);

- резкая зависимость её запасов, режима и качества от климатиче-

ских условий и хозяйственной деятельности человека;

- лёгкая загрязнённость и непригодность для постоянного водо-

снабжения;

- своеобразие динамики (расходуется на испарение, транспира-

цию и питание грунтовых вод).

Артезианские воды залегают в водопроницаемых отложения, за-

ключённых между водонепроницаемыми пластами

и находятся под

напором. В скважинах, вскрывающих эти воды, уровень поднимается

выше отметки вскрытия и часто выше поверхности земли, в результате

чего скважины фонтанируют. Установившийся в скважине уровень

воды называют пьезометрическим. Его выражают в абсолютных от-

метках.

8 Основы динамики подземных вод

Подземные воды движутся под влиянием силы тяжести от облас-

тей питания, где их уровень имеет наибольшие отметки, к областям

разгрузки, где отметки уровня наименьшие. Областями питания под-

земных вод являются горные хребты с окаймляющими их предгорны-

ми шлейфами, водораздельные равнины и другие повышения рельефа.

Области питания подземных вод могут быть приурочены

также к во-

дохранилищам, оросительным каналам и др.

Разгрузка подземных вод происходит в речных долинах (исклю-

чая низовья рек равнинных областей, где реки являются источником

питания грунтовых вод), оврагах и балках, местах резких перегибов

рельефа в предгорьях, где обычно хорошо водопроницаемые породы

сменяются слабопроницаемыми. Искусственная разгрузка подземных

вод наблюдается при

отборе подземных вод скважинами, колодцами,

осушительными каналами, дренами.

Направление движения грунтовых вод почти всегда совпадает с

уклоном рельефа.

Фильтрация – движение подземных вод в порах рыхлых горных

пород и трещинах скальных пород в условиях, когда поры и трещины

полностью заполнены водой. Если движение воды происходит в поро-

дах, не полностью насыщенных

водой, то называется инфильтраци-

ей. Просачивание осадков через зону аэрации является примером ин-

фильтрации.

Втекание осадков или поверхностных вод через трещины скаль-

ных пород называется инфлюацией.

Движение подземных вод в природных условиях в большинстве

случаев бывает ламинарным (параллельно-струйчатым), происходит

медленно, без завихрений и сплошным потоком. Турбулентное или

вихревое движение воды, характеризуется пульсацией скоростей, на-

блюдается в крупных трещинах и пустотах, где перемешиваются раз-

личные слои потока.

Ламинарное движение вод подчиняется линейному закону фильт-

рации, установленному французским гидравликом Дарси (1856 г.).

Схема опыта А. Дарси представлена на рис. 15. Пропуская воду через

различные песчаные фильтры, Дарси установил, что количество воды,

проходящее через фильтр в единицу времени, прямо пропорционально

площади сечения фильтра F, разности напоров

∆

H, под действием ко-

торой происходит фильтрация, и обратно пропорционально длине

фильтра

∆

Q = k

⋅

– H

∆

L = k

⋅∆

∆

L = k

⋅

где: k – постоянный коэффициент пропорциональности, завися-

щий от физических свойств породы и свойств воды (коэффициент

фильтрации), м/сутки;

I - градиент напора или гидравлический градиент.

Градиент напора характеризует уклон свободной поверхности

грунтовых вод или пьезометрической поверхности напорных вод. Его

можно вычислить по формуле:

I = (H

– H

)/L

где: H

, H

- отметки уровней грунтовых вод, м; L – расстояние

между отметками уровней H

и H

, м.

Градиент напора грунтовых вод можно определить по гидроизо-

гипсам – линиям, соединяющим одинаковые отметки поверхности

грунтовых вод. Градиент зависит от уклона рельефа, характера водо-

носных пород, уклона водоупорного слоя, соотношения отметок об-

ластей питания и дренирования, расстояния между этими областями и

др.

Линейный закон фильтрации - основной закон движения подзем

ных вод. Он справедлив при движении воды в рыхлых и трещиноватых

породах для весьма широкого диапазона скоростей фильтрации.

Рис. 15. Схема опыта Дарси

При определении действительной скорости движения подземных

вод необходимо учитывать, что вода движется только через часть

площади сечения (F

⋅

n, где n – коэффициент пористости). Таким обра-

зом действительная скорость движения воды через поры и трещины

горных пород всегда больше скорости фильтрации (обычно в 5 – 10

раз) и может быть определена по формуле:V

= V/ n.

Турбулентное движение подземных вод встречается достаточно

редко (характерно для сильно трещиноватых пород с крупными пусто-

тами и трещинами). Оно подчиняется нелинейному закону фильтра-

ции, который выражается формулой Шези-Краснопольского:

V = k√I

где:

V – скорость фильтрации, м/сутки; k – коэффициент фильтрации,

м/сутки; I – напорный градиент.

Фильтрация в тонкодисперсных глинистых породах имеет свои

особенности. Поры в таких породах практически полностью заняты

связанной водой, поэтому фильтрация может начаться лишь при усло-

вии, если градиент напора превысит некоторый начальный градиент,

определяемый сдвиговой прочностью связанной воды. Таким

образом

фильтрация подземных вод в принципе возможна и через относительно

водоупорные глинистые отложения, но при значительных значениях

градиента напора.

8.1 Определение направления и скорости движения

подземных вод

Для решения многих теоретических и практических задач, свя-

занных с миграцией в воде различных химических и биологических

компонентов, с прогнозом распространения загрязнений, устойчивости

откосов карьеров, оснований плотин и других инженерных сооруже-

ний, необходимо определять направление и скорость движения под-

земных вод. Скорость и направление движения воды определяют раз-

личными методами

: индикатора, изотопным, геофизическими метода-

ми и др.

Суть метода индикаторов заключается в погружении в опытную

скважину веществ, изменяющих химический состав или цвет воды и в

улавливании этой воды в наблюдательных скважинах, расположенных

ниже по течению подземных вод. Расстояние между опытной и наблю-

дательными скважинами принимают в зависимости от характера по-

род: в крупнозернистых песках 2 – 5 м; в мелкозернистых песках 1 – 2

м; в супесях, суглинках и других слабопроницаемых породах 0,5 – 1,5

м. Расстояние между наблюдательными скважинами, обычно разме-

щаемыми по радиусу, принимается 0,5 – 1,5 м.

Для определения направления и скорости движения подземных

вод используют также и радиоиндикаторные методы. Мечение воды

осуществляют изотопами

131

Na и др. Источник излучения (в

гильзе) опускают в опытную скважину, а счётчик - в наблюдательную.

Метод радиоактивных индикаторов широко применяется при изучении

фильтрации из водохранилищ, взаимосвязи поверхностных и подзем-

ных вод, при исследовании миграции солей и т.д.

Для выявления направления движения подземных вод на больших

площадях составляют карты гидроизогипс и

гидроизопьез. Гидроизо-

гипсы – линии, соединяющие точки с одинаковыми отметками по-

верхности ненапорных подземных вод. Гидроизопьезы – соединяют

одинаковые отметки пьезометрического уровня напорных вод. Поток

подземных вод движется в направлении, перпендикулярном этим ли-

ниям.

При отсутствии карт, отражающих положение свободной или пье-

зометрической поверхности подземных вод, для определения направ-

ления их движения необходимо

иметь не менее трёх скважин с отмет-

ками уровня подземных вод, измеренных в одно и тоже время. Сква-

жины желательно располагать по углам равностороннего треугольника

с длиной стороны от 50 до 300 м (чем меньше уклон потока, тем боль-

ше должно быть расстояние между скважинами). По известным или

установленным в трёх (или более) точках отметкам уровня проводят

несколько гидроизогипс и определяют направление движения по пер-

пендикуляру к ним в сторону убывания

отметок (рис. 15).

Рис. 15. Схема расположения скважин для определения направле-

ния и скорости движения грунтовых вод:

I, II, III – скважины для определения направления движения (в

знаменателе – абсолютная отметка уровня воды); 1 – центральная; 2,3,4

– наблюдательные скважины для определения скорости движения

8.2 Понятие о гидрогеологических параметрах

К основным гидрогеологическим параметрам относятся водоот-

дача и водопроницаемость.

Водоотдача - способность водонасыщенных пород отдавать гра-

витационную воду при возможности ее свободного стекания. Численно

водоотдача характеризуется коэффициентом водоотдачи (

), представ-

ляющим собою отношение объема свободно отдаваемой воды к объе-

му всей породы. Водоотдача зависит от размеров и структуры пор и

трещин. Наилучшей водоотдачей обладают породы с крупными пора-

ми и пустотами - гравий, галечник, крупнозернистые пески, у которых

коэффициент водоотдачи близок к коэффициенту пористости и изме-

няется в пределах от 0,15 до 0,4. Более мелкозернистые песчаные и

суглинистые породы обладают незначительной водоотдачей (0,15 -

0,005).

Водопроницаемость - способность горных пород пропускать

(фильтровать) воду. Водопроницаемость тел выше, чем больше пло-

щадь сечения пустот. Гравий, галечник, крупные и средние пески,

трещиноватые скальные породы обладают хорошей водопроницаемо-

стью. К водонепроницаемым породам относятся глины и не

вывет-

ренные скальные породы. Количественно она характеризуется ко-

эффициентом фильтрации (k), который представляет собой скорость

фильтрации при напорном градиенте равном единице. Среднее значе-

ние коэффициента фильтрации (м/сутки):

- глина менее 0,001;

- суглинки 0,01 - 0,1;

- супеси 0,1 - 0,5;

- песок крупнозернистый 20 – 50;

- гравий 20 – 150;

- крупный галечник 500-1000.

8.3 Физические свойства и характеристики

подземных вод

Любая подземная вода представляет собой сложный многоком-

понентный раствор. В поземных водах содержатся разнообразные ми-

неральные и органические вещества, газы и микроорганизмы. Изуче-

ние состава подземных вод, процессов, приводящих к его формирова-

нию, занимается гидрогеохимия. К важнейшим физическим свойст-

вам подземных вод относят: температуру, цвет, запах, прозрачность,

вкус, электропроводность и

радиоактивность.

Температура воды колеблется от –5 °С (в районах многолетней

мерзлоты) до +300 °С и более в районах, где наблюдается вулканиче-

ская деятельность. Температура грунтовых вод средних широт колеб-

лется от 5 до 15 °С и изменяется в зависимости от времени года. Пояс

постоянных годовых температур находится на глубине 20 – 30 метров.

С глубиной температура воды, как

и горных пород, повышается.

В зависимости от температуры подземные воды делятся на хо-

лодные – с температурой менее 20 °С; тёплые – от 20 до 37 °С; горячие

– от 37 до 42 °С; термы – с температурой более 42 °С.

Цвет воде придают растворенные в ней минеральные и органи-

ческие вещества, например, гумусовые кислоты, окрашивают воду в

бурый и даже черный цвет. Чаще всего подземные воды бесцветны.

Большинство подземных вод не имеет запаха, но при активной

деятельности некоторых видов бактерий вода может иметь сероводо-

родный, болотный, плесневый и т. п.

запах. Интенсивность запаха оце-

нивается по пятибалльной системе.

Вода при наличии в ней взвешенных веществ может быть сильно

мутной, мутной, слегка мутной и опалисцирующей. При отсутствии

взвешенных веществ вода прозрачная.

Вкус подземных вод бывает соленый, горький, сладкий, кислый,

который придают растворенные в ней вещества. При содержании в

воде хлористого натрия она

имеет солёный вкус, сульфата магния –

горький, солей железа – терпкий и т.д. Интенсивность вкуса оценива-

ется по пятибалльной системе.

Жесткость - важный показатель оценки качества воды, обуслов-

лена содержанием в воде солей кальция и магния.

По степени жёсткости выделяют очень мягкие воды (до 1,5 мг-

экв/л), мягкие (1,5 – 3), умеренно жёсткие (3 – 6), жёсткие (6 – 9) и

очень жёсткие (свыше 9 мг-экв/л).

К физическим свойствам подземных вод также относятся элек-

тропроводность и радиоактивность.

8.4 Химический состав подземных вод

В подземных водах обнаружено более 60 элементов таблицы

Менделеева. Большинство из них содержится в воде в незначительных

количествах (микроэлементы), некоторых - достаточно много (макро-

элементы). Также в воде содержатся газы, органические соединения и

микрофлора. Все они находятся в виде ионов, простых и комплексных

молекул, коллоидов. Эти вещества поступают в подземные воды из

горных пород, атмосферы, а также с поверхностными водами. Сумма

всех найденных при химическом анализе воды минеральных веществ

называется минерализацией воды (мг/л). Массовая доля сухого остат-

ка в природных водах может изменяться от нескольких десятков мил-

лиграммов до нескольких сотен грамм на литр. По величине минера-

лизации выделяют: сверхпресные воды -

до 200 мг/л; пресные, с мине-

рализацией от 0,2 до 1 г/л; слабосолоноватые 1 – 3 г/л; сильно солоно-

ватые 3 - 10 г/л, соленые 10 - 35 г/л, рассолы - более 35 г/л.

Важнейшими ионами, определяющими минерализацию воды, яв-

ляются К

, Са

, Мg

, Na

, К

, Сl

, НСО

, СО

. В пресных водах

обычно преобладают ионы Са

и НСО

(гидрокарбонатно-кальциевый

состав) в соленых - Na

и Сl

(хлоридно-натриевый). Больше всего в

подземных водах содержится хлор иона - 100 г/л и более. Содержание

сульфат иона ограничивается величиной растворимости СаSО

. Коли-

чество ионов НСО

- редко превышает 1, 5 г/л и зависит от количества

углекислоты. Ионы натрия содержатся в очень больших количествах и

всегда преобладают над калием. Содержание Мg

, может достигать

нескольких десятков г/л.

В водах нефтегазовых месторождений содержатся йод, бром, бор,

стронций; их содержание может достигать сотен мг/л. Для рудных ме-

сторождений характерно высокое содержание в воде меди, молибдена,

никеля, железа, ртути, серебра, и др.

Основными газами, содержащимися в подземных водах являют-

ся; О

, N

, СО

, Н

СН

. Помимо указанных газов могут присутст-

вовать инертные газы - неон, аргон, гелий, радон, а также СО, НСl, НF.

В подземных водах содержатся различные органические соеди-

нения: углеводороды, фенолы, аминокислоты и др. Наиболее обога-

щены органическим веществом воды нефтяных месторождений, со-

держание органических веществ в них достигает нескольких сот мил-

лиграммов на

литр.

Бактерии в подземных водах обнаружены до глубины нескольких

километров. В зоне активного водообмена наиболее распространены

гнилостные и болезнетворные бактерии. На больших глубинах разви-

ваются такие группы бактерий как сульфатредуцирующие, метанооб-

разующие, денитрифицирующие и др. Число бактерий колеблется от

10 до 500 тыс. клеток в 1 мл воды; в особо благоприятных ситуациях

их

число может достигать 2 млн. клеток в 1 мл воды.

8.5 Оценка агрессивности подземных вод

При определённом химическом и газовом составе подземная вода

может оказывать разрушительное действие на бетон и металлы.

Агрессивность выщелачивания проявляется в растворении кар-

боната кальция, входящего в состав бетона. Эта агрессивность прояв-

ляется при малом содержании в воде НСО

(0,4 – 1,5 мг-экв/л).

Углекислотная агрессивность обусловлена действием на бетон

СО

. Опасное содержание углекислоты в воде зависит от минерализа-