Период насыщения дождевой водой

Воды зоны насыщения

Горизонт грунтовых вод — первый от поверхности Земли, по­стоянно существующий в пределах зоны насыщения, водоносный горизонт (рисунок ниже).

Грунтовая вода

1 — уровень грунтовых вод УГВ; 2 — мощность грунтовой воды; 3 — ложе

Грунтовыми водами (по С.Н. Никитину) называют воды, приуро­ченные к сплошному водоносному горизонту, который залегает на первом от земной поверхности водоупоре, имеет значительную площадь распространения и не имеет водоупорной кровли. Снизу горизонт грунтовых вод ограничен водоупорным ложем, верхняя граница зоны постоянного насыщения пород грунтовыми водами ограничена свободной поверхностью, которая носит название зер­кало (уст. скатерть) грунтовых вод и служит границей между зонами аэрации и насыщения. Выше зеркала вод находится зона аэрации. Между этими зонами расположена зона капиллярной каймы. След сечения зеркала вертикальной поверхностью называется уровнем грунтовых вод. Для выявления характера поверхности (зеркала) грун­товых вод составляют карты гидроизогипс (рисунок ниже).

Карта гидроизогипс

В колодцах или скважинах, доведенных до грунтовых вод, уровень воды устанавливается на высоте, соответствующей верхней границе или свободной поверхности грунтовых вод, и не поднимается вверх под напором, как в артезианских скважинах. На участках, где водо­носный горизонт перекрыт водоупорными породами, грунтовые воды приобретают напор, который по высоте соответствует общей поверхности грунтовых вод водоносного горизонта. Разность уровней грунтовых вод приводит к их движению, образованию грунтового потока (рисунки ниже).

Форма залегания грунтовых вод

1 — грунтовый поток; 2 — грунтовый бассейн; 3 — водоупоры

Грунтовый поток

1 — водоупорное ложе; 2 — водопроницаемые породы; 3 — уровень грунтовых вод; 4 — направление грунтового потока; 5 — выход грунтовой воды на поверхность; 6 — делювий.

• водоносный слой;
• водоносный горизонт — регионально выдержанные пласты водо­вмещающих пород, заполненных грунтовой или водой другого типа, гидравлически связанные между собой и имеющие общую поверхность, а та их часть, которая полностью заполнена водой, называется зоной насыщения;
• водоупорное ложе;
• водоносный комплекс — водоносные породы любого стратигра­фического подразделения, среди которых трудно выделить водо­носные горизонты;
• площадь распространения грунтовых вод;
• бассейн грунтовых вод.

Характерными особенностями грунтовых вод являются сле­дующие:

• тесная гидравлическвя связь с атмосферными, поверхностными и конденсационными водами;
• непрерывное движение;
• совпадение области питания с областью их распространения;
• безнапорные, но могут передавать гидростатическое давление;
• установка уровня воды при достижении выработкой водоносного слоя на высоте вскрытия воды, вследствие чего поверхность фун­товых вод находится под влиянием атмосферного давления и на­зывается свободной поверхностью (зеркалом воды);
• перемещение (непостоянство) верхней границы;
• колебание уровня грунтовых вод;
• непостоянство режима (температуры, запасов, состава);
• пестрый химический состав;
• значимость для формирования водного режима пород зоны на­сыщения и водоснабжения растений.

Среди грунтовых вод выделяются: поровые, пластовые, трещинно-жильные, трещинно-карстовые безнапорные, лавово-ту­фовые.

Межпластовые воды

Межпластовыми водами называются водоносные горизонты, за­легающие ниже горизонта фунтовых вод и разделяющиеся пластами водоупорных пород. Они в свою очередь разделяются на межпластовые безнапорные и межпластовые напорные (или артезианские) воды.

Напорные (артезианские) воды залегают ниже грунтовых вод. Это воды, приуроченные к водоносным горизонтам или пластам, ограниченным снизу и сверху водоупорами и принимающие участие в строении крупных гидрогеологических структур (рисунок ниже). Арте­зианские воды получили свое название от провинции Артуа во Франции, где в XII в. был сооружен артезианский колодец, выводивший из глубоких водоносных горизонтов самоизливавшуюся на­порную воду.

Схема соотношений различных типов подземных вод

1 — водопроницаемая порода; 2 — водоупорная порода; 3 — грунтовые нисходящие воды (А); 4 — межпластовые нисходящие воды (В); 5 — восходящие артезианские воды (Б); А, Б, В — колодцы.

Характерными особенностями артезианских вод являются сле­дующие:

• важнейшая характеристика — напор;
• перекрытие водоупорами сверху и снизу;
• слабая гидравлическая связь с грунтовыми и поверхностными водами зоны аэрации в области питания и разгрузки;
• движение вод под действием гидростатического давления;
• несовпадение области питания, области создания напора и раз­грузки, удаление их друг от друга на значительные расстояния;
• установление уровня воды либо выше кровли водоупора, либо выше поверхности Земли;
• более или менее стабильный режим (упругий режим);
• разнообразный химический состав;
• различная минерализация (от первых десятков до сотен г/дм 3 );
• большие запасы;
• неодинаковая скорость движения.

Артезианские (напорные) воды принимают участие в строении крупных гидрогеологических структур — синклиналей, монокли­налей и других форм, которые содержат, как правило, один или не­сколько водоносных горизонтов или комплексов, часто прослежи­вающихся на большие расстояния.

Под водоносным пластом понимают выдержанный по мощности и распространению одновозрастный пласт породы с относительно однородными водоемкостными и фильтрационными свойствами.

Водоносный горизонт — один или несколько водоносных пластов горных пород, насыщенных гравитационной водой и представляющих собой единое целое в гидродинамическом отношении, го­ризонту присваивается геолого-стратиграфическое наименование соответствующих водовмещающих пород.

Водоносный комплекс — один или несколько смежных водоносных горизонтов со сходными гидрогеологическими свойствами, границами между которыми являются выдержанные по площади пачки водоупорных пород.

Гидрогеологический этаж — объединение водоносных и относи­тельно водоупорных комплексов. Этажи могут резко отличаться друг от друга по гидрохимическим и гидродинамическим показателям и составляют единую гидрогеологическую систему в пределах крупных тектонических элементов. Границами между гидрогеологи­ческими этажами служат регионально выдержанные водоупорные толщи.

Водонапорные системы земной коры образуются водоносными ком­плексами с одинаковыми условиями залегания, создания напора и движения вод (А.М. Овчинников, 1960).

Эти системы или при­родные гидрогеологические бассейны можно разделить на три типа:

1. Артезианские бассейны,
2. Подземные бассейны горно-складчатых областей,
3. Бассейны трещинных вод в кристаллических и метамор­фических породах.

Основное отличие этих типов бассейнов друг от друга состоит в строении и условиях залегания водовмещающих пород, что позволяет проводить территориальное районирование подземных вод на основе геологических материалов.

Гидрогеологической структурой называется геологическая струк­тура, часть ее или совокупность геологических структур, объединенных общностью условий распространения и формирования под­земных вод. К гидрогеологическим структурам относят бассейны подземных вод или гидрогеологические бассейны. Среди них выде­ляют:

• бассейны суши — бассейны артезианских вод, бассейны тре­щинных вод, бассейны трещинно-жильных вод, вулканогенные бассейны;
• бассейны морей и океанов — вулканогенные бассейны островных дуг, субмаринные бассейны котловин, рифтов, желобов, про­гибов. Их характерными особенностями являются отсутствие зоны аэрации, наличие толщ, находящихся на стадии литогенеза, направление движения вод в сторону континента.

Для гидрогеологии нефтяных и газовых месторождений основной интерес представляют бассейны артезианских вод.

Источник

Воды зоны насыщения. Грунтовые воды

Зона насыщения характеризуется тем, то поры и пустоты в ее пределах полностью заполнены (насыщены) жидкой водой. Сверху эта зона ограничена зоной аэрации, а снизу — глубиной критических температур, при которых вода превращается в водяной пар. Зона находится на глубине 2-4 м от поверхности, иногда значительно глубже (десятки метров). В зоне насыщения формируются безнапорные грунтовые воды, напорные артезианские воды и глубинные воды. Формирование их происходит, когда влажность грунтов достигает полной влагоемкости.

1. Грунтовые воды — это безнапорные подземные воды первого (от поверхности) постоянно существующего водоносного слоя, залегающего на первом выдержанном по площади водоупорном пласте. Эти безнапорные гравитационные воды имеют свободную верхнюю поверхность, называемую уровнем (зеркалом) грунтовых вод. Грунтовые воды питаются путем инфильтрации осадков, фильтрации вод водотоков и водоемов и конденсации водяного пара. Они распространены почти повсеместно, тяготеют к рыхлым четвертичным отложениям, участвуют в питании поверхностных вод, легко доступны для практического использования, наиболее подвержены антропогенным загрязнениям.

2. Артезианские воды — это напорные подземные воды, залегающие в водоносных горизонтах между водоупорными пластами. Они залегают глубже грунтовых вод и имеют более стабильный режим. При вскрытии горизонта артезианских вод скважиной находящаяся под напором вода поднимается и может изливаться на поверхность. Напор создается гидростатическим давлением и геостатической нагрузкой. Примерами артезианских бассейнов синклинального типа являются Московский, Терско-Кумский, Сахарский континенталь-интерколер.

3. Глубинные воды — это напорные подземные воды, залегающие на больших глубинах осадочных толщ в крупных артезианских бассейнах, испытывающие воздействие геостатического давления и эндогенных сил. Изучены недостаточно.

4. Воды многолетнемерзлых грунтов. В районах многолетней мерзлоты грунтовым водам соответствуют воды надмерзлотных таликов и межмерзлотные (между слоями мерзлотного грунта) безнапорные воды. Аналогами артезианских вод могут быть межмерзлотные и подмерзлотные воды (глубже мерзлотного грунта).

Движение подземных вод

Движение подземных вод происходит под влиянием силы тяжести, капиллярных сил и гидростатического давления. Движение в зоне аэрации выражается просачиванием и инфильтрацией, а в зоне насыщения — фильтрацией.

1. Просачивание — это движение воды в грунте вертикально вниз в виде изолированных струек по капиллярным порам и канальцам. При этом пористое пространство не насыщено водой и в нем сохраняется движение атмосферного воздуха, что исключает влияние гидростатического давления в зоне аэрации.

2. Инфильтрация — это движение воды сплошным потоком с полным заполнением пор водой под действием сил тяжести, капиллярных сил и гидростатического давления в зоне аэрации, где может образовываться таким путем верховодка.

3. Фильтрация — это движение свободной (гравитационной) воды по порам и трещинам под действием силы тяжести и гидростатического давления в сторону уклона поверхности водоносного горизонта или в сторону уменьшения напора артезианских вод.

Движение в мелкопористых грунтах имеет ламинарный режим и подчиняется закону фильтрации Дарси, выражаемому формулой

где Vф — скорость фильтрации (м/сутки, см/с), Кф — коэффициент фильтрации, характеризующий водопроницаемость грунтов, зависящей от количества и размеров пор. Его значения различны для разных грунтов:

галечник — 100-200 м/сутки

песок — 1-50 м/сутки

суглинок — 0,05-0,1 м/сутки

глина — менее 0,001 м/сутки

I — гидравлический уклон или напорный градиент, равный уклону поверхности уровня грунтовых безнапорных вод, вычисляется по формуле

где h — напор, h₁, h₂— высота уровней в точках 1 и 2, 1 — длина пути фильтрационного потока.

Скорость фильтрации Vф можно определить по формуле

где Qф — расход фильтрационного потока, то есть количество воды (в м 3 /c), протекающей в единицу времени через данное сечение породы; Wn — площадь (м 2 ) поперечного сечения породы (пористой среды).

Определение скорости и направления движения подземных вод производится непосредственно в поле путем введения в опытную (пусковую) скважину индикатора — раствора солей или красителя флюоресцеина (зеленый) и установлением их появления в наблюдательных скважинах по окружности.

Скважина, в которой краситель появится раньше, будет указывать направление потока. Скорость движения воды определяют по формуле:

где 1 — расстояние в м от пусковой скважины до наблюдательной, Т — время от введения красителя до его появления.

Эти методы широко применяются также при изучении подземных карстовых вод. Так крымские карстологи Дублянский В.Н. и Вахрушев Б.А. определили, что карстовые подземные водотоки Крыма имеют среднюю скорость 430 м/сут.

Режим подземных вод

Режим подземных вод — это закономерные пространственно-временные изменения ресурсов и характеристик подземных вод, включая изменения уровня, температуры, химического состава и минерализации.

На режим влияют климатические и гидрологические факторы, а также геолого-геоморфологические условия и водно-физические свойства грунтов. Наибольшие изменения элементов режима происходит в зоне аэрации. Наиболее динамичными являются грунтовые воды, где проявляются многолетние, сезонные и суточные колебания. Эти колебания отражают изменения запасов воды в водоносном слое и зависят от условий питания и расходования подземных вод, то есть, связаны с атмосферными осадками, испарением, стоком и водоотдачей грунтов.

Типы режима грунтовых вод: уровненный, термический, химический

Выделяется 3 типа уровненного режима грунтовых вод, характерных для разных климатических зон и провинций.

1. Мерзлотный тип кратковременного летнего питания, относящийся к зонам многолетнемерзлых грунтов с суровым холодным климатом. Максимальный уровень грунтовых вод связан с талым питанием и приходится на июнь — июль.

2. Режим сезонного питания, преимущественно весенне-осеннего, характерен для зон континентального климата с холодной зимой, когда промерзает зона аэрации. Максимальный уровень связан с талыми водами весной и дождевыми — в летне-осеннее время. Минимальный уровень наблюдается в предвесеннее время.

3. Режим круглогодичного питания, преимущественно зимне-весеннего — весеннего, относится к южным и западным районам Европы. При этом режиме максимальные уровни вод наблюдаются в феврале-апреле, а минимальные — в июле-августе.

Термический режим грунтовых вод зависит от температуры воздуха и инфильтрующихся вод. С глубиной многолетние и сезонные колебания температур воды быстро затухают. Положение водоносного горизонта с постоянной температурой наиболее высоко (первые м) в тропических странах, наиболее глубоко (до 41 м) в условиях резко континентального климата. На очень больших глубинах температура увеличивается в соответствии с геотермическим градиентом.

В зонах мерзлотного режима грунтовых вод зимой воды замерзают, а летом — редко достигают +10°С. В зонах сезонного питания, колебания температур грунтовых вод колеблются от 2°С до 12°С, а в зонах круглогодичного питания теплых стран — от 10 до 25°С (в жарких странах — до 36°С).

Гидрохимический режим грунтовых вод — это изменение их минерализации и химического состава в связи с разбавлением грунтовых вод пресными дождевыми и талыми водами и интенсивностью испарения воды. В зонах мерзлотного режима минимальная минерализация составляет 5-30 мг/л в весенне-летнее время, а максимальная до 1 г/л — в предвесеннее время. Характерные ионы НСО₃ — и Са 2+ .

В зонах сезонного и круглогодичного питания, в условиях умеренного увлажнения минерализация изменяется: от 10 до 400 мг/л — в северных провинциях Европы и от 20 до 1500 мг/л — в средней полосе Европы. Преобладают ионы НСО₃ и Са 2+ .

В засушливых зонах, где испарение преобладает над питанием, происходит засоление вод с минерализацией от 0,1 до 11 г/л, преобладают ионы SO₄ 2- (сульфатные), Nа + и С1 — (хлоридные).

Источник