Основы гидрогеологии. Понятие о подземных водах. Классификация подземных вод

Лекция 3.                ОСНОВЫ ГИДРОГЕОЛОГИИ

1.  Понятие о подземных водах

2.  Классификация подземных вод

3.  Динамика подземных вод

4.  Приток подземных вод к водозаборным сооружениям

5.  Борьба с грунтовыми водами

ПОНЯТИЕ О ПОДЗЕМНЫХ ВОДАХ

ВОДА – это чудо природы, самое необходимое из существующего вещества на Земле. От воды зависит наше благополучие, сам факт существования живого на Земле. Организм человека в весовом отношении в основном состоит из воды. У новорожденного – 75%, у взрослого – 60% от массы тела.

Вода на Земном шаре находится в очень сложных взаимоотношениях с живым. Она необходима не только для поддержания жизни, она еще и продукт живого. Вода вездесуща, повсеместна и многолика.

Замечательный ученый, создатель геохимии В.И. ВЕРНАДСКИЙ писал: «Вода стоит особняком в истории нашей планеты, нет природного тела, которое могло бы сравниться с ним по влиянию на ход основных, самых грандиозных геологических процессов…»

Воды, находящиеся в верхней части ЗЕМНОЙ КОРЫ и залегающие ниже поверхности земли, называют ПОДЗЕМНЫМИ. Изучением подземных вод занимается раздел геологии – ГИДРОГЕОЛОГИЯ.

Гидрогеология – это наука о подземных водах, их происхождении, свойствах, формах залегания, характере и законах движения, режиме и запасах. Она изучает способы использования подземных вод, методы их регулирования.

ПОДЗЕМНАЯ ВОДА образует подземную ГИДРОСФЕРУ, по массе заключенной в ней воды она соизмерима с Мировым Океаном.

Практическое значение подземных вод в жизни человека огромно. Подземная вода является одним из основных существующих и перспективных источников водоснабжения, так как имеет ряд достоинств:

1.  Обладает белее высоким качеством, чем поверхностные воды (волы рек, озер, водохранилищ).

2.  Не требует дорогостоящей очистки.

3.  Лучше защищены от поверхностных загрязнений.

4.  Повсеместно распространены.

Подземные воды широко используются для водоснабжения, так  в США они составляют около 20% всей потребляемой воды, в Германии – 75%, в Бельгии – 90%. В России так же используются подземные воды для центрального водоснабжения. Так в пределах Москвы и московской области пробурено примерно 1000 артезианских скважин.

Но, при эксплуатации  подземных вод необходимо иметь в виду, что если расход воды из подземных емкостей идет быстрее, чем ее запасы восполняются за счет влаги, просачивающейся в земли из атмосферы,  то уровень подземных вод понижается, а это часто вызывает неблагоприятные последствия. 

В течение нескольких десятилетий уровень подземных вод в Москве понизился более чем на 40 м,   Санкт-  Петербурге – на 50 м, Киеве – на 65 м, Лондоне – более чем на 100 м, в Париже – на 120 м, в Токио – на 150 м.

Причем, если воду забирают с пластов сравнительно рыхлых пород, то это может привести к проседанию массива пород. Так, Мехико за 40 лет опустилась на 7 метров.

Необходимо также знать, что подземные воды обладают и отрицательными факторами, которые особенно касаются строительства.

Подземные воды:

- осложняют производство работ в условиях притока подземных вод;

- ухудшают несущую способность пород, как основания сооружений;

- приводят к удорожанию строительства в связи с устройством гидроизоляции и дренажа.

Подземные воды находятся в неразрывной связи и взаимодействии с горными породами, в которых они формируются, накапливаются и перемещаются.

В горных породах подземная вода может быть в виде ХИМИЧЕСКИ СВЯЗАННОЙ, ПАРООБРАЗНОЙ, ФИЗИЧЕСКИ СВЯЗАННОЙ, СВОБОДНОЙ, и ТВЕРДОЙ.

ХИМИЧЕСКИ СВЯЗАННАЯ вода – это почти не «вода», она входит в состав кристаллической решетки минералов и принимает участие в строении кристаллической решетки. В СОДЕ ее до 64%, в минерале МИРАБИЛИТ – 55%. Выделить эту воду без разрушения кристаллической решетки не удается, Исключением является минерал ЦЕОЛИТ – «ПЛАЧУЩИЙ КАМЕНЬ» - из него кристаллизированную воду можно удалить нагреванием.

ПАРООБРАЗНАЯ вода – это водяной пар, заполняющий вместе с воздухом все, не заполненные водой поры и трещины в горных породах в пространстве между земной поверхностью и постоянным уровнем подземных вод. В определенные слои толщи земной коры пар может проникать по трещинам и пустотам из атмосферы или из глубоких недр земли от горячих водных растворов. В определенных условиях пары могут конденсироваться и переходить в жидкое состояние. В верхних слоях земной коры сосредоточена лишь незначительная часть парообразной воды Земли. В глубоких недрах пара гораздо больше, там он горячий.

ФИЗИЧЕСКИ СВЯЗАННАЯ вода – это вода, образующаяся на поверхности частиц горных пород путем КОНДЕНЦАЦИИ и АДСОРБЦИИ парообразной воды. Здесь выделяют ГИГРОСКОПИЧЕСКУЮ и ПЛЕНОЧНУЮ воду.

ГИГРОСКОПИЧЕСКАЯ вода – это вода, прочно удерживаемая на поверхности частиц МОЛЕКУЛЯРНЫМИ и ЭЛЕКТРИЧЕСКИМИ силами. Она может быть удавлена только при температуре 105-100⁰С. В зависимости от количества удерживаемой на частицах горных пород гигроскопической воды, различают гигроскопичность НЕПОЛНУЮ (1) и МАКСИМАЛЬНУЮ (2).

Наличие гигроскопической воды в породе не глаз не заметно. В месте с тем МАКСИМАЛЬНАЯ гигроскопичность тонкозернистых и глинистых пород может достигать 18%, в более крупнозернистых породах она падает до 1% от массы сухого вещества.

ПЛЕНОЧНАЯ вода образуется на частицах горных пород при влажности, превышающей максимальную гигроскопичность (3,4).

Поверхность частиц как бы обволакивается пленкой воды толщиной  нескольких молекулярных слоев, покрывающих гигроскопическую воду.

 

                                                   Молекулы воды в виде пара

                 Атмосфера

                Литосфера

                                 1                       2

 

                                                                 4

                                  3

5

Наличие пленочной воды в породах заметно на глаз, так как породы приобретают при этом более темную окраску. Пленочная вода способна передвигаться как жидкость от более толстых пленок к более тонким пленкам.

Максимальное содержание пленочной воды составляет:

- для песчаных пород - до 7%;

- для глинистых пород – до 45%.

СВОБОДНАЯ вода – это основная масса подземных вод. Она может перемещаться либо вниз по уклону – это ГРАВИТАЦИОННАЯ вода, либо вверх – КАПИЛЛЯРНАЯ вода.

Свободная вода не подвержена действию сил притяжения к поверхности частиц горных пород. Гравитационная вода подчиняется действию силы тяжести и способна передавать ГИДРОСТАТИЧЕСКОЕ давление.  Гравитационная вода перемещается через пористое пространство и трещины в горных породах. В ЗОНАХ НАСЫЩЕНИЯ гравитационная вода образует ВОДОНОСНЫЕ ГОРИЗОНТЫ.

КИПАЛЛЯРНАЯ вода заполняет капиллярные поры и тонкие трещины в горных породах и удерживается силами поверхностного натяжения. Поднимается она снизу вверх, т.е. в направлении, противоположном действию силы тяжести.

ТВЕРДАЯ вода – вода в виде кристаллов, прослоек и линз льда – широко распространена в зоне многолетней мерзлоты.

Наличие тех или иных во многом предопределяет.