Понятие о подземных водах. Классификация и динамика подземных вод

перемещается под действием сил молекулярного притяжения от частиц с толстой пленкой к частицам с тонкой пленкой.

                                                   Молекулы воды в виде пара

                 Атмосфера

                Литосфера

1                      2

4

3

5

Рис. Схема различных видов воды в грунте (по А.Ф. Лебедеву):

1- частица грунта с неполной гигроскопической водой; 2- частица с максимальной гигроскопичностью; 3 – частица с тонким слоем пленочной воды; 4 – частица с максимальной толщиной         пленочной воды (максимальная молекулярная влагоемкость); 5 – частица с гравитационной водой.

Пленочная вода замерзает при отрицательной температуре: минус 3 - 4⁰ С, не подчиняется силе тяжести, не стекает в дренажные сооружения.

Количество физически связной воды зависит от суммарной удельной поверхности частиц грунта.

Максимальное ее содержание составляет: в глинах до 40% суглинках  15-23%, супесях 9-13% и песках менее 7%.

С физически связной водой связаны многие важные свойства глинистых грунтов: набухание, пластичность и такие явления, как плывунность грунтов, миграция воды к фронту промерзания при морозном пучении грунтов.

КИПАЛЛЯРНАЯ вода  - вода, удерживающаяся и передвигающаяся по порам и тонким трещинам снизу от грунтовых вод вверх под влиянием сил поверхностного натяжения (за счет подъемной силы мениска).

Высота капиллярного подъема составляет: до 3 см у крупных песков, 120-135 см – у супесей, 350-650 см – у суглинков, до 1200 см – у глин.

В приповерхностном грунтовом слое выделяется капиллярная подвешенная вода, образующаяся при просачивании атмосферных осадков с поверхности земли.

Капиллярная вода вызывает увлажнение фундаментов, нижней части стен, подвалов, земляного полотна дорог.

ГРАВИТАЦИОННАЯ (свободная) вода заполняет крупные поры и трещины в грунтах. Она не подвержена действию сил притяжения к поверхности частиц грунта, передвигается под влиянием  силы тяжести и способна передавать ГИДРОСТАТИЧЕСКОЕ давление.  Гравитационная вода, перемещаясь через пористое пространство и трещины в грунтах, растворяет грунты, способна выносить частицы грунта из массива. Используется для целей водоснабжения.

ВОДА В ТВЕРДОМ СОСТОЯНИИ, в виде льда при температуре 0⁰С и ниже находится в виде кристаллов, прослоек и линзочек. Она широко распространена в зоне многолетней мерзлоты.

Количество воды во всех ее видах, содержащееся в грунтах, определяется через показатель естественной влажности w – отношение массы воды к массе сухого грунта и показатель коэффициента водонасыщения S_r(степень заполнения пор грунта водой). Как отмечали ранее по величинеS_r песчаные грунты подразделяются на маловлажные (S_r < 0,5), влажные (S_r = 0,5...0,8), насыщенные водой (0,8<S_r ≤ 1).

К водным свойствам грунтов относятся:

1. ВЛАГОЕМКОСТЬ – способность грунтов поглощать и удерживать в себе воду. Различают сильновлагоемкие (торф, глина, суглинок), слабовлагоемкие (супесь, мел) и невлагоемкие (пески, галечники, скальные) грунты.

2. ВОДООТДАЧА - способность водонасыщенных грунтов отдавать гравитационную воду в виде свободного стока при изменении естественных условий залегания. Величина коэффициента водоотдачи µ определяется, как разность между полной их влагоемкостью и количеством физически связной воды:

µ = W_п.в. -  W_ф.св.в.

Наибольшей водоотдачей обладают обломочные и скальные трещиноватые грунты, минимальная водоотдача у глин и суглинков.

3. ВОДОПРОНИЦАЕМОСТЬ -  способность грунтов пропускать через себя воду. Водопроницаемость зависит от размера сообщающихся между собой пор, трещин и напора воды.

Количественно водопроницаемость характеризуется коэффициентом фильтрации, имеющим размерность единицы скорости, м/сут, м/с. Коэффициент фильтрации грунтов является одним из основных гидрогеологических параметров, широко используемых в расчетах и прогнозах.

Водонепроницаемые и слабоводопроницаемые грунты принято называть водоупорами.

1.2.  Происхождение подземных вод

Существуют следующие теории происхождения подземных вод:

1. Инфильтрационная теория объясняет образование подземных вод просачиванием (инфильтрацией) атмосферных осадков и вод поверхностных водоемов в глубь земной коры.

Просачиваясь по порам и трещинам, вода накапливается на водонепроницаемых породах. Это практически все грунтовые воды и большая часть артезианских вод верхних водоносных горизонтов.

Интенсивность инфильтрации зависит, прежде всего, от количества атмосферных осадков, водопроницаемость поверхностных грунтов и рельефа местности.

2. Конденсационная теория  объясняет образование подземных вод за счет конденсации водяных паров, проникающих из атмосферы в трещины и поры грунтов.  Они играют сравнительно небольшую роль в формировании подземных вод. Существенное значение они имеют только в высокогорных районах.

3. Седементационная теория связывает образование подземных вод с формированием пород. В рыхлом водонасыщенном осадке на первой стадии формирования горных пород  содержится до 90% воды. При уплотнении осадка под действием тяжести вышележащих слоев происходит отжатие поровых вод. Отжатая таким образом вода частично попадает обратно в водоем (море, озеро и т.п.), а частично – в проницаемые слои пород.

4. Ювенильная теория объясняет образование подземных вод за счет выделения кислорода, водорода, водяного пара из магматических очагов. Считается, что первоисточником воды на планете была МАНТИЯ. В ней содержится, как правило, не вода, а водород, который        при соединении с кислородом способен образовывать воду. Эту «созданную» в недрах Земли воду называют ЮВЕНИЛЬНОЙ, в честь ЮВЕНИТЫ – римской Богини юношей (ЮВЕНИЛЬНЫЙ -  в переводке с латыни – юный, молодой). Основная часть воды из МАТИИ, по-видимому, выброшена в течение первого миллиарда лет геологической истории. Наиболее вероятный механизм образования воды – окисление водорода при его взаимодействии с породами, содержащими кислород. Все увеличивающееся количество воды привело к изменению строения ЗЕМНОЙ КОРЫ, становлению МИРОВОГО ОКЕАНА, появлению АТМОСФЕРЫ.

1.3.  Химический состав подземных вод

Подземная вода представляет собой сложный раствор, содержащий более 60 химических элементов Периодической таблицы Менделеева. Минеральные соли (минералы) растворяясь в воде, распадаются на АНИОНЫ: Cl, SO₄, CO₃, HCO₃,  OH^-, NO^-₂ и КАТИОНЫ: Na⁺, Mg²⁺, Ca²⁺, K⁺, Fe²⁺, Mn²⁺. Эти ИОНЫ составляют более 90% всех растворенных в воде солей.

В воде присутствуют газы: О₂, Н, СО₂, СН₄, Na₂, H₂S, реже гелий, радон. 

Железо, нитраты, бром, йод, фтор, бор содержатся в меньшем количестве, но могут оказывать существенное влияние на оценку пригодности подземных вод для целей водоснабжения.

Химический состав подземных вод выражается в виде дроби КУРЛОВА:

;

где S_P – наименование газа или специфический химический элемент, характерный для данной воды (например, для трещинных вод гранита Новосибирска – радон);

М – общая минерализация, суммарное содержание растворенных в воде солей. О ее величине судят по сухому остатку (г/л), который получается после выпаривания одного литра воды.

В числителе указываются анионы в убывающем порядке в % - экв., в знаменателе – содержание катионов (в формуле не записываются анионы и катионы, содержание которых менее 10%-экв.). В конце формулы указывается температура воды, в градусах Цельсия.

В зависимости от величины сухого остатка и содержания анионов и катионов различают следующие виды подземных вод.

Температура подземных вод изменяется в широких пределах, зависит от геологического строения, климатических и тектонических условий местности. По температуре выделяют следующие типы подземных вод: холодные (0-20⁰ С); теплые (20-37⁰ С); термальные (37-50⁰ С); горячие (5-100⁰ С), гейзеры (более