Образование подземных вод. Подземные воды Подземные воды и их образование
Среди вод суши наибольшие запасы приходятся на подземные воды, общие запасы которых составляют 60 млн км 3 . Подземные воды могут находиться в жидком, твердом, парообразном состоянии. Они располагаются в почве и в горных породах верхней части земной коры.
Способность горных пород пропускать воду зависит от размеров и количества пор, пустот, трещин.
По отношению к воде все горные породы подразделяют на три группы: водопроницаемые (хорошо пропускают воду), водонепроницаемые (задерживают воду) и растворимые.
Растворимые породы - это калийная и поваренная соли, гипс, известняк. Когда подземные воды растворяют их, на глубине образуются большие пустоты, пещеры, воронки, колодцы (это явление называется карстом).
Водопроницаемые породы можно подразделить на две категории: проницаемые во всей их массе (однородно проницаемые) и относительно проницаемые (полупроницаемые). Примерами хорошо проницаемых горных пород служат галечники, гравий, песок. К полупроницаемым относятся мелкозернистый песок, торф и др.
Кроме этого, водопроницаемые породы могут быть влагоемкими и не влагоемкими.
Невлагоемкие породы - это горные породы, которые свободно пропускают воду, не насыщаясь ею. Это, например, пески, галечник и др.
Влагоемкие - это горные породы, которые удерживают в себе какое-то количество воды (например, один кубический метр торфа удерживает свыше 500 л воды).
К водонепроницаемым горным породам относятся глины, массивные кристаллические и осадочные породы. Однако эти породы могут быть разбиты трещинами и в естественных условиях стать проницаемыми.
Слои водонепроницаемых пород, над которыми залегают водоносные породы, называют водоупорными.
На водоупорных породах просачивающаяся вниз вода задерживается и заполняет промежутки между частицами вышележащей водопроницаемой породы, образуя водоносный горизонт.
Слои водопроницаемых пород, которые содержат воду, называются водоносными.
На равнинах, сложенных осадочными горными породами, обычно чередуются водопроницаемые слои и водоупорные.
Подземные воды залегают слоями (рис. 1). Их можно разделить на три горизонта:
- Верхний горизонт — это пресные воды, залегающие на глубине от 25 до 350 м.
- Средний горизонт - воды, залегающие на глубине от 50 до 600 м. Они обычно минеральные, или соленые.
- Нижний горизонт — вода, нередко погребенная, в высокой степени минерализованная, представлена рассолами. Залегает на глубине от 400 до 3000 м.
Глубокие горизонты вод могут быть ювенильным и (магматического происхождения) или реликтовыми. Вода нижних горизонтов в большинстве случаев образовалась в период формирования заключающих их осадочных пород.
По условиям залегания подземные воды подразделяют на почвенные, верховодку и воды насыщения — грунтовые и межпластовые (рис. 2).
Почвенные воды и верховодка
Почвенные воды заполняют часть промежутков между частицами почвы. Они необходимы для нормальной жизни растений.
Верховодка залегает неглубоко, существует временно, малообильна. В наших климатических условиях она появляется весной после таяния снега, иногда осенью.
Рис. 1. Слои подземных вод
Рис. 2. Виды вод по условиям
Грунтовые воды
Грунтовые воды образуют водоносный горизонт на первом от поверхности водоупорном слое. Поверхность грунтовых вод называется зеркалом грунтовых вод. Расстояние от зеркала грунтовых вод до водоупорного слоя называют мощностью водоупорного слоя.
Грунтовые воды питаются просочившимися атмосферными осадками, водами рек, озер, водохранилищ.
В связи с неглубоким залеганием от поверхности уровень грунтовых вод испытывает значительные колебания по сезонам года: он то повышается после выпадения осадков или таяния снега, то понижается в засушливое время. В суровые зимы грунтовые воды могут промерзать.
Так как глубина залегания грунтовых вод определяется прежде всего климатическими условиями, в разных природных зонах она различна. Так, в тундре уровень грунтовых вод практически совпадает с поверхностью, а в полупустынях находится на глубине 60-100 м, причем не повсеместно, и эти воды не обладают достаточным напором.
Большое влияние на глубину залегания грунтовых вод оказывает степень расчлененности рельефа территории. Чем она сильнее, тем глубже находятся грунтовые воды.
Грунтовые воды значительно подвержены загрязнению.
Межпластовые воды
Межпластовые воды — нижележащие водоносные горизонты, заключенные между двумя водоупорными слоями. В отличие от грунтовых уровень межпластовых вод более постоянен и меньше изменяется во времени. Межпластовые воды более чистые, чем грунтовые.
Особую группу подземных вод составляют напорные межпластовые воды. Они полностью заполняют водоносный горизонт и находятся под давлением. Напором обладают все воды, заключенные в слоях, залегающих в вогнутых тектонических структурах.
Вскрытые скважинами и поднимающиеся вверх, они изливаются на поверхность или фонтанируют. Так устроены артезианские колодцы (рис. 3).
Рис. 3. Артезианский колодец
Химический состав подземных вод неодинаков и зависит от растворяемости прилегающих пород. По химическому составу различают пресные (до 1 г солей на 1 л воды), слабоминерализованные (до 35 г солей на 1 л воды) и минерализованные (до 50 г солей на 1 л воды) подземные воды. При этом верхние горизонты подземных вод обычно пресные или слабоминерализованые, а нижние горизонты могут быть сильноминерализованными. Минеральные воды по своему составу могут быть углекислыми, щелочными, железистыми и т. д. Многие из них имеют лечебное значение.
Температура подземных вод
По температуре подземные воды подразделяются на холодные (до +20 °С) и термальные (от +20 до +1000 °С). Термальные воды обычно отличаются высоким содержанием различных солей, кислот, металлов, радиоактивных и редкоземельных элементов.
Естественные выходы подземных вод (обычно грунтовых) на поверхность земли называется источниками (родниками, ключами). Они образуются обычно в пониженных местах, где земную поверхность пересекают водоносные горизонты.
Источники бывают холодными (с температурой воды не выше 20 °С), теплыми (от 20 до 37 °С) и горячими, или термальными (свыше 37 °С). Периодически фонтанирующие горячие источники называются гейзерами. Они находятся в областях недавнего или современного вулканизма (Исландия, Камчатка, Новая Зеландия, Япония).
Значение и охрана подземных вод
Подземные воды имеют большое значение в природе: являются важнейшим источником питания , болот; растворяют различные вещества в породах и переносят их; при их участии формируются карстовые и оползневые формы рельефа; при близком залегании к поверхности могут вызывать процессы заболачивания; снабжают растения влагой и растворенными в них элементами питания и т. д. Они широко используются человеком: являются источниками чистой питьевой воды; применяются для лечения целого ряда заболеваний человека; обеспечивают производственный процесс водными ресурсами; используются для орошения полей; из термальных вод получают большое количество различных химических веществ (йод, гауберову соль, борную кислоту, различные металлы); тепловая энергия подземных вод может служить для обогрева зданий, теплиц, получения электроэнергии и др.
На сегодняшний день во многих регионах состояние подземных вод оценивается как критическое и имеющее опасную тенденцию дальнейшего ухудшения. Несмотря на то что запасы подземных вод велики, возобновляются они крайне медленно, и это необходимо учитывать при их расходовании. Не менее важна и охрана подземных вод от загрязнений.
Подземные воды (причем не только поверхностные, но и глубинные) вслед за другими элементами окружающей среды испытывают загрязняющее влияние хозяйственной деятельности человека: от предприятий гор но-добываю щей промышленности, хранилищ химических отходов и удобрений, свалок, животноводческих комплексов, населенных пунктов и др. Среди загрязняющих подземные воды веществ преобладают: нефтепродукты, фенолы, тяжелые металлы (медь, цинк, свинец, кадмий, никель, ртуть), сульфаты, хлориды, соединения азота. Площади очагов загрязнения подземных вод достигают сотен квадратных километров. Происходит ухудшение качества питьевой воды.
Подземные воды находятся в верхней части земной коры. Эти воды питают реки, озёра и болота. Они имеют важное значение в жизни людей.
Образование подземных вод
После дождя вода просачивается через поры и трещины в рыхлых водопроницаемых осадочных породах (песках, галечниках). Там она накапливается в водоносных слоях над водоупорными породами (гранитом, мрамором, глиной), которые не пропускают или очень слабо пропускают воду. Подземные воды могут залегать на различной глубине, иногда до 12-15 километров, и находиться в жидком, твёрдом и парообразном состоянии.
Грунтовые и межпластовые воды
По характеру залегания подземные воды делятся на грунтовые и межпластовые. Грунтовыми водами называют воды первого от поверхности водоносного горизонта. Они лежат на водоупорном , а сверху перекрыты водопроницаемыми породами. Эти воды расположены относительно неглубоко, поэтому могут быть широко использованы в хозяйственных целях (колодцы), однако они легко загрязняются.
Между двумя водоупорными пластами лежат межпластовые воды. Иногда, залегая на большой глубине, межпластовые воды находятся под давлением. Если сделать скважину, они могут вырываться на поверхность в виде фонтана.
Источники
Выходы подземных вод на поверхность называются источниками (или родниками). Особую ценность представляют минеральные источники, воды которых содержат в себе растворённые газы и соли, а также термальные источники нагретых теплом Земли горячих (термальных) вод. Воды этих источников используют в лечебных целях.
В некоторых районах, где много действующих вулканов, на поверхность по трещинам в земной коре вырываются кипящие подземные воды и газы в виде гейзеров. Гейзер (от исландского слова gcysa - хлынуть) - источник, периодически выбрасывающий фонтаны горячей воды и пара. Гейзеры встречаются на , в , Северной Америке и . Тепло горячих подземных вод люди используют для отопления.
Значение и охрана подземных вод
Подземные воды регулируют уровень воды в реках и озёрах. Их используют для питьевого водоснабжения, для снабжения водой промышленных предприятий, а в засушливых районах для орошения.
Пополнение подземных вод происходит медленно, поэтому их интенсивное использование может привести к тому, что они иссякнут. Очистка подземных вод практически невозможна, из-за чего важно следить за тем, чтобы загрязнённые сточные воды не попадали на земную поверхность.
Образование подземных вод в районе строительства имеет большое значение, потому как часто возникают неожиданные затопления строительных котлованов, подтопление фундаментов и подвалов зданий, а в некоторых случаях -и общее заболачивание местности.
Подземные воды образуются путем просачивания (инфильтрации) воды, выпадающей в виде осадков, сквозь толщу пород. Однако было замечено, что в пустынных жарких странах, где количество выпадающих осадков ничтожно, в отдельных местах подземные воды все же существуют. Это объясняется конденсацией влаги, находящейся в воздухе.В пустынных местностях воздух при 35 ° практически содержит около 20 грамм водяного пара, то есть его относительная влажность составляет около 40-50 %; ночью температура воздуха падает нередко до 15°С.
Читай также:
Тогда воздух оказывается перенасыщенным парами воды в количестве 20-12,7 =7,3 г. Этот избыток влаги выпадает в виде росы и просачивается на некоторую глубину.Образование росы, то есть воды, конденсирующейся из водяных паров воздуха навело на мысль о том что подземная вода может образовываться также и из подземной росы путем конденсации водяных паров воздуха, находящегося в порах и пустотах горных пород.Инфильтрационные и конденсационные подземные воды учавствуют в общем круговороте воды в природе и поэтому получили название вадозных (странствующих).
Еще в конце XVIII в. М. В. Ломоносов обратил внимание на то, что запас подземных вод может пополняться за счет деятельности магмы. В 1902 г. австрийский ученый Э. Зюсс в окончательной теории создал теорию происхождения подземных вод при интрузивных и эффузивных процессах.Эта теория заключается в том. что в ходе интрузивных и эффузивных процессов из магмы выделяются пары воды, а также газы -кислород и водород, в дальнейшем образующие воду.
Кроме того, в зоне метаморфизма происходит дегидратация минералов, содержащих конституционную(кристаллизационную воду).Образовавшиеся таким образом пары воды поднимаются вверх из зоны высоких температур в зоны более низких и конденсируются, превращаясь в подземную воду.
Магмагенные подземные воды были названы ювенильными.Таким образом, следует признать, что подземные воды образуются в различных случаях по-разному: иногда бесспорны явления инфильтрации осадков, иногда-вполне очевидно появление ювенильных вод, иногда -несомненно действие механизма движения и конденсации водяных паров.Определить количественное соотношение вод различного происхождения пока невозможно.
Если представить себе вертикальный разрез какой-либо местности, то в общем случае подземные воды могут залегать так, как это представлено на рисунке-1. Непосредственно у дневной поверхности залегают почвенные воды, удерживаемые силами капиллярного натяжения.Ниже, на первом водонепроницаемом пласте, залегают грунтовые воды, причем над поверхностью грунтовых вод может образоваться кайма капиллярного поднятия.
Рисунок-1. Схема залегания почвенных, грунтовых и межпластовых вод
В водонепроницаемых пластах, находящихся между водонепроницаемыми пластами, залегают межпластовые воды.В зависимости от условий взаиморасположения водопроницаемых и водонепроницаемых пластов межпластовые воды могут иметь свободную поверхность, обусловленную действием силы тяжести или полностью заполнять пространство между двумя водонепроницаемыми слоями.В первом случае межпластовые воды будут безнапорными, во втором-напорными. Напорные межпластовые воды называются артезианскими водами
Часть водопроницаемого пласта, заполняемая подземной водой, от нижней поверхности воды до ее верхнего уровня называется водоносным горизонтом.В соответствии с количеством водоносных пластов залегающих один ниже другого, различают первый водоносный горизонт, второй водоносный горизонт и так далее. Очевидно, что первым водоносным горизонтом будет слой грунтовых вод.
Верховодка
Почвенные воды залегают непосредственно у поверхности земли. Они не имеют водоупорного ложа и как бы подвешены в порах почвы. Это подвешивание почвенных вод происходит вследствие капиллярных явлений в порах почвы. В случае чрезмерного разрыхления и измельчения почвы часть капиллярной почвенной воды может переходить в физически связную воду. Характерными свойствами почвенных вод является их сезонный характер, резкие сезонные колебания температуры и наличие микроорганизмов и органических веществ.
Микроорганизмы, содержащиеся в почвенных водах, часто оказываются полезными, так как они уничтожают болезнетворные бактерии. Свободные почвенные воды встречаются только в связи с сезонным увлажнением или в тех случаях, когда вследствие высокого стояния грунтовых вод происходит заболачивание почвы. В остальных случаях излишек почвенных вод, не удерживаемый силами капиллярного натяжения, просачивается к водонепроницаемому слою, образуя грунтовые воды. Воды верховодки располагаются в самых верхних слоях земной коры и имеют сравнительно ограниченное распространение.
Рисунок-2. Линзы моренных глин и суглинков, способствующие образованию верховодки(а) и создающие впечатление о грунтовых водах, как о водах ложнонапорных(б) и ложномежпластовых(в).
Верховодка, характеризуемая исключительно неустойчивым режимом, возникает главным образом в периоды дождей и усиленной инфильтрации и исчезает с наступлением засушливых периодов.Режим верховодки тесно связан с явлениями конденсации и испарения. Рассмотрим схему, которая была представлена выше, на рисунке-1. В зоне от поверхности земли до капиллярной каймы грунтовых вод, часть пор постоянно занята воздухом. В ней постепенно происходит обмен между воздухом пор и воздухом атмосферы, вследствие чего эта зона получила название зоны аэрации.
Этот воздухообмен способствует не только конденсации водяных паров воздуха, но и испарению воды, находящейся в этой зоне. В засушливое время происходит испарение и верховодка исчезает. Залегание верховодки может быть двух типов -на сравнительно небольших линзах водонепроницаемых пород, встречающихся в моренных отложениях, и на аллювиальных поймах. В первом случае (рисунок-2) водонепроницаемая линза задерживает некоторое количество инфильтрующейся воды. С течением времени часть этой воды стекает вниз, присоединяясь к грунтовым водам, а часть испаряется.
Рисунок-3.Схема образования верховодки на чередующихся прослойках:
а-хорошо фильтрующие прослойки; б-слабофильтрующий прослоек; в-водонепроницаемый слой
Во втором случае(рисунок-3) образование верховодки объясняется слоистостью аллювиальных отложений с неодинаковой водопроницаемостью слоев. Инфильтрующиеся воды скапливаются на слое с меньшей водопроницаемостью и затем медленно просачиваются через него в слой с большей водопроницаемостью, где и присоединяются к грунтовым водам.
Часть верховодки и в этом случае испаряется в атмосферу. Мощность верховодки незначительная и редко превышает 1,0-2,0 м. Воды по большей части содержат органические соединения и практически малопригодны для использования в хозяйственно-производственных целях.
Добавочными факторами образования верховодки служат утечки воды из водопроводов, полив огородов, парков, улиц, вследствие чего верховодка получает более устойчивый характер. Верховодка нередко создает затруднения для строительства, так как наличие или возможность образования ее не всегда учитывается в должной мере. Поэтому часто возникают неожиданные затопления строительных котлованов, подтопление фундаментов и подвалов зданий а в некоторых случаях- и общее заболачивание местности.
РЕКОМЕНДУЕМ выполнить перепост статьи в соцсетях!На этом уроке вы сможете изучить тему «Подземные воды». Вы познакомитесь с условиями образования подземных вод. Также мы рассмотрим грунтовые, межпластовые и минеральные воды, выявим пути их охраны и использования.
Тема: Гидросфера
Урок: Подземные воды
1. Введение
Цель урока: узнать, что такое подземные воды, познакомиться с условиями их образования, выявить пути их охраны и использования.
2. Подземные воды и условия их образования
Подземные воды - воды, находящиеся в земной коре, в толще горных пород в жидком, твердом и газообразном состоянии.
Для образования подземных вод необходимы атмосферные осадки и способность горных пород пропускать воду. Вода, выпавшая в виде атмосферных осадков, просачивается через поры и трещины горных пород, пополняя, тем самым, подземные воды (см. Рис. 1).
Рис. 1. Подземные воды и осадки
Хорошо пропускают воду пески, гравий, щебень. Не пропускают воду гранит, глина. Горные породы, пропускающие воду, называются водопроницаемыми, не пропускающие ее - водоупорными.
Воды сами могут проделывать щели, пустоты в легкорастворимых горных породах (гипс, соли). Благодаря этому могут образовываться пещеры, подземные озера (см. Рис. 2).
Рис. 2. Карстовая пещера
3. Грунтовые и межпластовые воды
Грунтовые воды - воды, находящиеся в водоносном слое и не прикрытые водоупорными породами(см. Рис. 3, 4).Грунтовые воды пополняются выпавшими осадками. В течение года уровень грунтовых вод меняется.
Рис. 3. Схема грунтовых вод
Рис. 4. Схема различных подземных вод
Воды, находящиеся между водоупорными слоями, называются межпластовые.
Иногда подземные воды могут выходить на дневную поверхность в виде источников (родников).
Рис. 5. Родник
Во многих подземных водах могут быть растворены различные соли, вещества и газы, тогда такие воды называют минеральные.
4. Значение и охрана подземных вод
Значение подземных вод
1. Один из главных источников питьевой воды.
2. Используются в хозяйственной деятельности человека.
3. Пополняют другие водные источники.
4. Используются при лечении (минеральные воды).
5. Зачастую чище поверхностных вод.
Не стоит забывать, что так же, как и поверхностные воды, подземные воды нуждаются в охране и разумном использовании, кроме того, их нужно беречь от загрязнений.
Домашнее задание
Параграф 29.
1. Что такое подземные воды?
Список литературы
Основная
1. Начальный курс географии: Учеб. для 6 кл. общеобразоват. учреждений / Т. П. Герасимова, Н. П. Неклюкова. - 10-е изд., стереотип. - М.: Дрофа, 2010. - 176 с.
2. География. 6 кл.: атлас. - 3-е изд., стереотип. - М.: Дрофа; ДИК, 2011. - 32 с.
3. География. 6 кл.: атлас. - 4-е изд., стереотип. - М.: Дрофа, ДИК, 2013. - 32 с.
4. География. 6 кл.: конт. карты. - М.: ДИК, Дрофа, 2012. - 16 с.
Энциклопедии, словари, справочники и статистические сборники
1. География. Современная иллюстрированная энциклопедия / А. П. Горкин. - М.: Росмэн-Пресс, 2006. - 624 с.
Литература для подготовки к ГИА и ЕГЭ
1. География: Начальный курс: Тесты. Учеб. пособие для учащихся 6 кл. - М.: Гуманит. изд. центр ВЛАДОС, 2011. - 144 с.
Все воды, находящиеся в толще горных пород в твердом, жидком или газообразном состоянии, называются подземными
На материках они образуют сплошную оболочку, которая не прерывается даже в областях сухих степей и пустынь. Как и поверхностные воды, они находятся в постоянном движении и участвуют в общем круговороте воды в природе. Строительство и эксплуатация большинства наземных сооружений и всех подземных связаны с необходимостью учета движения подземных вод, их состава и состояния. От подземных вод зависят физикомеханические свойства и состояние многих горных пород. Они часто затопляют строительные котлованы, канавы, траншеи и тоннели, а, выходя на поверхность, способствуют заболачиванию территории. Подземные воды могут являться агрессивной средой по отношению к горным породам. Они выступают основной причиной многих физикогеологических процессов, возникающих в естественных условиях, в процессе строительства и эксплуатации инженерных сооружений.
Различают:
Питьевые воды – воды, по своему качеству в естественном состоянии или после обработки отвечающие нормативным требованиям и предназначенные для питьевых и бытовых нужд человека, либо для производства пищевой продукции. Этот тип вод включает также минеральные природные столовые воды, к которым относятся подземные воды с общей минерализацией не более 1 г/дм 3 , не требующие водоподготовки или не изменяющие после водоподготовки своего естественного состава.
Технические подземные воды – воды различного химического состава (от пресных до рассолов), предназначенные для использования в производственно-технических и технологических целях, требования к качеству которых устанавливаются государственными или отраслевыми стандартами, техническими условиями или потребителями.
Подземные воды так же подразделяют:
Подземные воды в основном образуются в результате просачивания (инфильтрации) атмосферных осадков и поверхностных вод в толщу земной коры. Вода проходит через водопроницаемые породы до водоупорного слоя и накапливается на нем, образуя подземный бассейн или поток. Такая подземная вода называется инфильтрационной . Количество инфильтрационной воды зависит от климатических условий местности, рельефа, растительности, состава пород верхней толщи, их структуры и текстуры, а также тектонического строения района. Инфильтрационные подземные воды являются самыми распространенными.
Подземная вода может образовываться также путем конденсации парообразной воды, постоянно циркулирующей в порах горных пород. Конденсационная подземная вода образуется только летом и частично весной и осенью, а зимой не образуется совсем. Конденсацией водяных паров А. Ф. Лебедев объяснял образование значительных запасов подземной воды в зонах пустынь и полупустынь, где количество выпадающих атмосферных осадков ничтожно. Конденсироваться могут не только водяные пары атмосферы, но и водяные пары, выделяющиеся из магматических очагов и других высокотемпературных зон земной коры. Такие подземные воды называются ювенильными.Ювенильные подземные воды обычно сильно минерализованы. В ходе геологического развития в толще земной коры могут сохраняться погребенные водные бассейны. Вода, содержащаяся в осадочных толщах этих бассейнов, называется реликтовой .
Образование подземных вод представляет собой сложный процесс, начинающийся с накопления осадков и тесно связанный с геологической историей района. Очень часто подземные воды различного происхождения перемешиваются между собой, образуя смешанные по происхождению воды.
Верхнюю часть земной коры с точки зрения распространения подземных вод принято делить на две зоны: зону аэрации и зону насыщения. В зоне аэрации не всегда все поры горных пород заполнены водой. Все воды зоны аэрации питаются за счет атмосферных осадков, интенсивно испаряются и поглощаются растениями. Количество воды в этой зоне определяется климатическими условиями. В зоне насыщения, независимо от климатических условий, всегда все поры горных пород заполнены водой. Над зоной насыщения находится подзона капиллярного увлажнения. В этой подзоне тонкие поры заполнены водой, а крупные воздухом.
В зоне аэрации образуются почвенная вода и верховодка. Почвенная вода залегает непосредственно у поверхности земли. Это единственная вода, которая не имеет под собой водоупора и представлена, в основном, связанной и капиллярной водой. Почвенная вода находится в сложной взаимосвязи с животными и растительными организмами. Она отличается резкими колебаниями температуры, наличием микроорганизмов и гумуса. С почвенной водой строители сталкиваются только на заболоченных участках.
Верховодка образуется в зоне аэрации на водонепроницаемых линзах. Верховодкой также называют любые временные скопления воды в зоне аэрации. Атмосферные осадки, проникающие в эту зону, могут временно задерживаться на слабопроницаемых или уплотненных слоях. Чаще всего это происходит весной в период снеготаяния или в период обильных дождей. В засушливые периоды верховодка может исчезать. Характерными особенностями верховодки является непостоянство существования, ограниченность распространения, малая мощность и безнапорность. Верховодка нередко создает затруднения для строителей, так как наличие или возможность ее образования не всегда устанавливается при инженерно геологических изысканиях. Образовавшаяся верховодка может вызывать подтопление инженерных сооружений, заболачивание территорий.
Грунтовой называется вода, залегающая на первом от поверхности земли постоянном водоупорном слое. Грунтовые воды существуют постоянно. Они имеют свободную водную поверхность, называемуюзеркалом грунтовых вод, и водоупорное ложе. Проекция зеркала грунтовых вод на вертикальную плоскость называется уровнем грунтовых вод (У Г В). Расстояние от водоупора до уровня грунтовых вод называется мощностью водоносного горизонта. Уровень грунтовых вод, а, следовательно, и мощность водоносного горизонта - величины непостоянные и могут меняться в течение года в зависимости от климатических условий. Питание грунтовых вод происходит в основном за счет атмосферных и поверхностных вод, но они могут быть и смешанными, инфильтрационно-конденсационными. Участок поверхности земли, с которого поверхностная и атмосферная вода поступает в водоносный горизонт, называется областью питания грунтовых вод. Область питания грунтовых вод всегда совпадает с областью их распространения. Грунтовые воды в силу наличия свободной водной поверхности являются безнапорными, т. е. уровень воды в скважине устанавливается на той же отметке, на которой встречена вода.
В зависимости от условий залегания грунтовых вод различают грунтовые потоки и бассейны. Грунтовые потоки имеют наклонное зеркало и находятся в непрерывном движении в сторону уклона водоупора. Грунтовые бассейны имеют горизонтальное зеркало и встречаются гораздо реже.
Грунтовые воды, находясь в постоянном движении, имеют тесную связь с поверхностными водотоками и водоемами. В районах, где атмосферные осадки преобладают над испарением, грунтовые воды обычно питают реки. В засушливых районах очень часто вода из рек поступает в грунтовые воды, пополняя подземные потоки. Может существовать и смешанный тип связи, когда с одного берега грунтовые воды питают реку, а с другого - вода из реки поступает в грунтовый поток. Характер связи может меняться в зависимости от климатических и некоторых других условий.
При проектировании и строительстве инженерных сооружений необходимо учитывать режим грунтовых вод , т. е. изменение во времени таких показателей, как колебания уровня грунтовых вод, температуры и химического состава. Наибольшим изменениям подвержены уровень и температура грунтовых вод. Причины этих изменений очень разнообразны и нередко непосредственно связаны со строительной деятельностью человека. Климатические факторы вызывают как сезонные, так и многолетние изменения уровня грунтовых вод. Паводки на реках, а также водохранилища, пруды, системы орошения, каналы, дренажные сооружения ведут к изменению режима грунтовых вод.
Положение зеркала грунтовых вод на картах изображается с помощью гидроизогипс и гидроизобат.Гидроизогипсы - линии, соединяющие точки с одинаковыми абсолютными отметками уровня грунтовых вод. Эти линии аналогичны горизонталям рельефа и подобно им отражают рельеф зеркала грунтовых вод. Карта гидроизогипс используется для определения направления движения грунтовых вод и для определения значения гидравлического градиента. Направление движения грунтовых вод всегда перпендикулярно гидроизогипсам от более высоких отметок к более низким. Направления, по которым передвигаются грунтовые воды при установившемся неизменяющемся во времени движении, называются линиями тока. Если линии тока параллельны между собой, то такой поток называется плоским. Поток также может быть сходящимся и расходящимся. Чем меньше расстояние между гидроизогипсами, тем больше гидравлический градиент грунтового потока. Гидроизобаты - линии, соединяющие точки с одинаковой глубиной залегания грунтовых вод.
Межпластовыми подземными водами называются водоносные горизонты, залегающие между двумя водоупорами. Они могут быть ненапорными и напорными. Межпластовые ненапорные воды встречаются редко. По характеру движения они аналогичны грунтовым водам. Межпластовые напорные воды называются артезианскими. Залегание артезианских вод весьма разнообразно, но наиболее часто встречаются синклинальное. Артезианская вода всегда заполняет весь водоносный горизонт от подошвы до кровли и не имеет свободной водной поверхности. Область распространения одного или нескольких уровней артезианских водоносных горизонтов называют артезианским бассейном. Площади артезианских бассейнов огромны и измеряются десятками, сотнями, а иногда и тысячами квадратных километров. В каждом артезианском бассейне различают области питания, распространения и разгрузки. Область питания артезианских бассейнов обычно располагается на больших расстояниях от центра бассейна и на более высоких отметках. Она никогда не совпадает с областью их распространения, которую иногда называют областью напоров. Артезианские воды испытывают гидростатическое давление, обусловленное разностью отметок области питания и области разгрузки, по закону сообщающихся сосудов. Уровень, на котором устанавливается артезианская вода в скважине, называется пьезометрическим. Положение его определяется пьезометрической линией , или линией напоров, условной прямой линией, которая соединяет область питания с областью разгрузки. Если пьезометрическая линия проходит выше поверхности земли, то при вскрытии водоносного горизонта скважинами будет происходить фонтанирование, а напор называется положительным. Когда пьезометрический уровень расположен ниже поверхности земли, то напор называется отрицательным, а вода из скважины не выливается. Артезианские воды, как правило, более минерализованы и меньше связаны с поверхностными водотоками и водоемами, чем грунтовые воды.
Трещинными водами называются подземные воды, приуроченные к трещиноватым магматическим, метаморфическим и осадочным породам. Характер их движения определяется размером и формой трещин. Трещинные воды могут быть ненапорными и напорными. Они непостоянны и могут менять характер движения. Размыв и растворение горных пород приводят к расширению трещин, а кристаллизация солей и накопление осадков - к их сужению. Расход трещинных вод может достигать 500 м 3 /ч. Трещинные воды создают значительные трудности при строительстве подземных сооружений.
Подземные воды в городе
В городах спрос на воду велик, но подземные водные ресурсы ограничены. Во многом процесс восстановления водных ресурсов зависит от состояния самой городской среды, её экологии. Этот немаловажный фактор отвечает не только за объём подземных водных ресурсов, но и за уровень их загрязнения.
В последние годы изучение грунтовых вод городских пространств входит в состав раздела гидрогеологии.
Проблемы, возникающие при взаимодействии грунтовых вод с городской средой это и загрязнение грунтовых вод через сточные трубы канализации, и понижение уровня подземных вод насосными системами, и угроза затопления грунтовыми водами подземных пространств городской среды (например, метро).
Сейчас вопрос о сохранении и защите грунтовых вод от загрязнения стоит особенно остро. Ведь именно от них во многом зависит стабильность развития большинства городов, что выводит проблему на уровень мирового масштаба.
Отталкиваясь от поставленных задач и основываясь на последних достижениях в области гидрогеологии, учёными разрабатываются новые схемы контроля и наблюдения за уровнем загрязнения грунтовых вод, их активностью в пределах подземного пространства городской среды.
И всё же, какую бы важную роль в процессе развития городского пространства не играла его связь с грунтовыми водами, совершенно очевидно, что в данном виде взаимодействия городской среде отведён удел внешнего ограничителя, нежели равноправного участника.
Многие города используют подземную воду, как питьевую. Все знают, что вода - это восполняемый ресурс, но в то же время сильно подверженный влиянию внешних факторов. Очень важно следить за уровнем грунтовых вод и степенью их загрязнения. Для стабильного развития городского пространства этот хрупкий баланс крайне важен. Халатное отношение к водным ресурсам приводит к весьма плачевным последствиям. Например, в Мехико постоянное снижение уровня грунтовых вод привело к просадке грунта, а затем и к экологическим проблемам.
Показатели подземных вод в Российской ФедерацииРесурсный потенциал подземных вод России составляет 869,1 млн. м 3 /сут и распределен по территории неравномерно, что определяется разнообразием геолого-гидрогеологических условий и климатическими особенностями.
На Европейской территории России его величина составляет 346,4 млн. м 3 /сут и изменяется от 74,1 млн. м 3 /сут в Центральном до 117,7 млн. м 3 /сут в Северо-Западном федеральных округах; на Азиатской территории России – 522,7 млн. м 3 /сут и колеблется от 159,2 млн. м 3 /сут в Дальневосточном до 250,9 млн. м 3 /сут в Сибирском федеральных округах.
Современная роль подземных вод в хозяйственно-питьевом водоснабжении населения Российской Федерации характеризуется следующими показателями. Доля подземных вод в балансе хозяйственно-питьевого водоснабжения (из поверхностных и подземных водоисточников) составляет 45%.
Более 60% городов и поселков городского типа удовлетворяют потребности в питьевой воде, используя подземные воды, а около 20% из них имеют смешанные источники водоснабжения.
В сельской местности на подземные воды в хозяйственно-питьевом водоснабжении приходится 80–85% общего водопотребления.
Наиболее сложной проблемой является обеспечение питьевой водой населения крупных городов. Около 35% крупных городов практически не имеют подземных источников централизованного водоснабжения, а для 37 городов вообще отсутствуют разведанные запасы подземных вод.
Степень использования подземных вод в хозяйственно-питьевом водоснабжении населения определяется как закономерностями распределения ресурсов подземных вод по территории России, так и проводимой многие годы политикой обеспечения населения питьевой водой путем приоритетного использования поверхностных вод.
В настоящее время отмечается низкий уровень использования разведанных месторождений подземных вод и их запасов. Средний уровень использования общих разведанных запасов составляет 18–20%, а в пределах эксплуатируемых месторождений с разведанными запасами – 30–32%.
За последние 5 лет прирост оцененных эксплуатационных запасов составил 6,8 млн. м 3 /сут.
Из подземных источников для удовлетворения питьевых нужд населения и водоснабжения объектов промышленности забрано 28,2 млн. м 3 /сут воды. Суммарная величина добычи и извлечения подземных вод составила 33,1 млн. м 3 /сут, без использования сброшено 5,9 млн. м 3 /сут (17,8% общей величины извлечения и добычи подземных вод).
Для хозяйственных нужд использовано 27,2 млн. м 3 /сут, в том числе: на хозяйственно-питьевое водоснабжение 20,6 млн. м 3 /сут (76%); производственно-техническое водоснабжение – 6,0 млн. м 3 /сут (22%); орошение земель и обводнение пастбищ – 0,5 млн. м 3 /сут (2%).
В результате извлечения и добычи подземных вод на отдельных территориях образовались крупные региональные депрессионные воронки, площади которых достигают значительных размеров (до 50 тыс. км 2), а снижение уровня в центре – до 65–130 м (города Брянск, Курск, Москва, Санкт-Петербург).
В г. Брянск региональная депрессионная воронка, образовавшаяся в верхнедевонском водоносном комплексе, имеет радиус более 150 км и понижение уровня более 80 м. Обширные воронки депрессии образовались в районе городов Курск и Железногорск и на Михайловском железорудном карьере. “Курская” депрессионная воронка в баткелловейском водоносном горизонте имеет радиус 90–115 км, снижение уровня в центре – 64,5 м. На Михайловском карьере воронка достигла 60–90 км в радиусе, уровень понизился с начала осушения карьера на 77,4 м.
В Московском регионе интенсивная эксплуатация подземных вод нижнекаменноугольного водоносного комплекса в течение 100 лет привела к формированию обширной глубокой воронки, площадь которой превышает 20 тыс. км 2 , а максимальное понижение уровня – 110 м. Многолетняя эксплуатация подземных вод гдовского водоносного горизонта в Санкт-Петербурге обусловила образование региональной депрессионной воронки общей площадью до 20 тыс. км 2 с понижением уровня до 35 м.
На территории России, по данным государственного мониторинга состояния недр МПР России, выявлено 4002 участка загрязнения, из них более 80% находится в грунтовых водоносных горизонтах, обычно не являющихся источниками питьевого водоснабжения населения.
По экспертным оценкам, в Российской Федерации доля загрязненных подземных вод не превышает 5–6% объема их использования для питьевого водоснабжения населения.
Наибольшее число участков загрязнения подземных вод расположено на территории следующих федеральных округов: Приволжского (30%), Сибирского (23%); Центрального (16%) и Южного (15%). Из общего количества участков загрязнения подземных вод:
§ на 40% загрязнение связано с промышленными предприятиями;
§ на 20% – с сельскохозяйственным производством;
§ на 9% – с жилищно-коммунальным хозяйством,
§ на 4% загрязнение происходит в результате подтягивания некондиционных природных вод при нарушении режима эксплуатации водозаборов;
§ на 10% загрязнение подземных вод “смешанное” и обусловлено деятельностью промышленных, коммунальных и сельскохозяйственных объектов;
§ для 17% участков источник загрязнения подземных вод не установлен.
Наиболее напряженная экологическая обстановка сложилась на участках загрязнения подземных вод веществами I класса опасности. Эти участки выявлены в районах отдельных крупных промышленных предприятий в следующих городах и поселках: Амурск (ртуть), Ачинск (фосфор), Байкальск (ртуть), Георгиевск (ртуть), Ессентуки (ртуть), Екатеринбург (фосфор), Искитим (бериллий), Новокузнецк (фосфор), Казань (бериллий, ртуть), Кисловодск (фосфор), Минеральные Воды (ртуть), Лермонтов (ртуть), Комсомольск-на-Амуре (бериллий), Магнитогорск (тетраэтилсвинец), Новосибирск (бериллий, ртуть), Саянск (ртуть), Свободный (ртуть), Усолье-Сибирское (ртуть), Хабаровск (бериллий, ртуть), Череповец (бериллий) и др.
Наибольшую экологическую опасность представляет загрязнение подземных вод, выявленное в отдельных скважинах на водозаборах питьевого водоснабжения.
