Подземные воды и их геологическая деятельность на примере Восточно-Европейской равнины

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ

УЧРЕЖДЕНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ

БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ МАКСИМА ТАНКА

ФАКУЛЬТЕТ ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ

Кафедра физической географии

КУРСОВАЯ РАБОТА

Подземные воды и их геологическая деятельность на примере Восточно-Европейской равнины

Выполнил:

Гордиенко Евгений Александрович

Проверил:

Баско Александр Николаевич

Минск, 2013 год



Содержание

Введение

1. Общие сведения о подземных водах

1.1 Подземные воды

1.2 Виды воды в горных породах

1.3 Движение и режим грунтовых вод

1.4 Подземные воды и окружающая среда

1.5 Основные методы очистки воды

2. Физико-химические свойства воды

2.1 Физические свойства воды

2.2 Химические свойства воды

3. Формы рельефа созданные в результате подземных вод

Заключение

Список использованных источников



Введение

В эпоху Возрождения и позднее подземным водам и их роли в природных процессах были посвящены работы многих ученых - Агриколлы, Палисси, Стено и др. В России первые научные представления о подземных водах как о природных растворах, их образовании путем инфильтрации атмосферных осадков и геологической деятельности подземных вод были высказаны М.В. Ломоносовым в сочинении «О слоях земных» (1763 г.). До середины 19 века учение о подземных водах развивалось как составная часть геологии. Затем оно обособляется в отдельную дисциплину.

Подземные воды являются главным источником питьевой, а иногда и технической воды, используются и в бальнеологических (лечебных) целях, для энергии (гидротермальные подземные воды), для получения брома, йода, соли (промышленные подземные воды) и прочее.

В строительной практике и в вопросах рационального использования подземные воды могут играть положительную и отрицательную роль.

При возведении зданий и сооружений подземные воды зачастую имеют отрицательное значение. Наличие подземных вод ведет к удорожанию строительства и эксплуатации зданий и сооружений, продление сроков строительства. Во всех случаях необходимо предусматривать мероприятия дренажа подземных вод.

Цель работы: Изучить свойства воды на примере Восточно-Европейской равнины.

Задачи:

1. Рассмотреть воду в природе;

2. Рассмотреть водную среду;

3. Рассказать о физических свойствах воды;

4. Рассказать о химических свойствах воды;

6. Рассказать о тяжелой воде;

7. Рассказать об ионном составе воды;

8. Рассказать о подземных водах;

9. Рассмотреть основные методы очистки воды;

10. Отметить основные проблемы использования и защиты подземных вод.



1. Общие сведения о подземных водах

1.1 Подземные воды

Подземные воды - воды, находящиеся в толще горных пород верхней части земной коры в разных агрегатных состояниях.

Гидрогеология тесно связана с гидрологией и геологией (в том числе и с инженерной геологией), метеорологией, геохимией, геофизикой и другими науками о Земле, опирается на данные математики, физики, химии и широко использует их методы исследования.

Все воды земной коры, находящиеся ниже поверхности Земли в горных породах в газообразном, жидком и твёрдом состояниях, называются подземными водами. Подземные воды составляют часть гидросферы - водной оболочки земного шара. Они встречаются в буровых скважинах на глубине до нескольких километров.

По данным В.И. Вернандского, подземные воды могут существовать до глубины 60 км в связи с тем, что молекулы воды даже при температуре 2000^оС диссоциированы всего на 2%.

Приблизительные подсчёты запасов пресной воды в недрах Земли до глубины 16 километров дают величину 400 миллионов кубических километров, т. е., около 1/3 вод Мирового океана.

Подземные воды формируются в основном из вод атмосферных осадков, выпадающих на земную поверхность и просачивающихся (инфильтрующих) в землю на некоторую глубину, и из вод болот, рек, озер и водохранилищ, также просачивающихся в землю. Количество влаги, прогоняемой таким образом в почву, составляет по данным А.Ф. Лебедева, 15-20% общего количества атмосферных осадков.

Проникновение вод в грунты (водопроницаемость), слагающих земную кору, зависит от физических свойств этих грунтов. В отношении водопроницаемости грунты делятся на три основные группы: водопроницаемые, полупроницаемые и водонепроницаемые или водоупорные. К водопроницаемым породам относятся крупнообломочные породы, галечник, гравий, пески, трещиноватые породы и т. д.

К водонепроницаемым породам - массивно-кристаллические породы (гранит, порфир, мрамор), имеющие минимальную впитывать в себя влагу, и глины. Последние, пропитавшись водой, в дальнейшем ее не пропускают. К породам полупроницаемым относятся глинистые пески, лесс, рыхлые песчаники, рыхловатые мергели и т. п.

Подземные воды в земной коре распределены в двух этажах. Нижний этаж, сложенный плотными магматическими и метаморфическими породами, содержит ограниченное количество воды. Основная масса воды находится в верхнем слое осадочных пород. В нем по характеру водообмена с поверхностными водами выделяют три зоны: зону свободного водообмена (верхнюю), зону замедленного водообмена (среднюю) и зону весьма замедленного водообмена (нижнюю). Воды верхней зоны обычно пресные и служат для питьевого, хозяйственного и технического водоснабжения. В средней зоне располагаются минеральные воды различного состава. Это - древние воды. В нижней зоне находятся высокоминерализованные рассолы. Из них добывают бром, йод и другие вещества.

Подземные воды образуются различными способами. Как уже отмечалось выше, один из основных способов образования подземной воды - просачивание, или инфильтрация, атмосферных осадков и поверхностных вод (озёр, рек, морей и т. д.). Поэтому, просачивающаяся вода доходит до водоупорного слоя и накапливается на нём, насыщая породы пористого и пористо-трещиноватого характера. Таким образом возникают водоносные слои, или горизонты подземных вод. Поверхность грунтовых вод, называется зеркалом грунтовых вод. Расстояние h от зеркала грунтовых вод до водоупора называют мощностью водоупорного слоя.

Количество воды, просочившийся в грунт, зависит не только от его физических свойств, но и от количества атмосферных осадков, наклона местности к горизонту, растительного покрова. Длительный моросящий дождь создает лучшие условия для просачивания, нежели обильный ливень, так как чем интенсивнее осадки, тем с большей скоростью выпавшая вода стекает по поверхности почвы.

Крутые склоны местности увеличивают поверхностный сток и уменьшают просачивание атмосферных осадков в грунт, пологие, наоборот, увеличивают их просачивание.

Растительный покров (лес) увеличивает испарение выпавшей влаги и в то же время усиливает выпадение осадков. Задерживая поверхностный сток, он способствует просачиванию влаги в грунт.

Для многих территорий земного шара инфильтрация является основным способом образования подземных вод. Однако имеется и другой путь их образования - за счёт конденсации водяных паров в горных породах. В тёплое время года упругость водяного пара в воздухе больше, чем в почвенном слое и нижележащих горных породах. Поэтому водяные пары атмосферы непрерывно поступают в почву и опускаются до слоя постоянных температур, расположенного на разных глубинах - от одного до нескольких десятков метров от поверхности земли. В этом слое движение паров воздуха прекращается в связи с увеличением упругости водяных паров при повышении температуры в глубине Земли. Вследствие этого возникает встречный поток водяных паров из глубины Земли вверх - к слою постоянных температур. В поясе постоянных температур в результате столкновения двух потоков водяных паров происходит их конденсация с образованием подземной воды. Такая конденсационная вода имеет большое значение в пустынях, полупустынях и сухих степях. В знойные периоды года она является единственным источником влаги для растительности. Таким же способом возникли основные запасы подземной воды в горных районах Западной Сибири. Оба способа образования подземных вод - путём инфильтрации и за счёт конденсации водяных паров атмосферы в породах - главные пути накопления подземных вод. Инфильтрационные и конденсационные воды называются вандозными водами (от лат. "vadare" - идти, двигаться). Эти воды образуются из влаги атмосферы и участвуют в общем круговороте воды в природе.

Некоторые исследователи отмечают еще один способ образования подземных вод. Многие выходы этих вод в районах современной или недавней вулканической активности характеризуются повышенной температурой и значительной концентрацией солей и летучих компонентов. Для объяснения генезиса таких вод австрийский геолог Э. Зюсс в 1902 году выдвинул теорию ювенильного (от лат. "juvenilis" - девственный). Такие воды, как считал Зюсс, образовались из газообразных продуктов, в изобилии выделяющихся при дифференциации магматического очага.

Более поздние исследования показали, что чистых ювенильных вод, как их понимал Э. Зюсс, в поверхностных частях Земли не существует. В природных условиях подземные воды, возникшие разными способами, смешиваются друг с другом, приобретая те или иные черты. Однако определение генезиса подземных вод имеет большое значение: оно облегчает подсчёт запасов, выяснение режима и их качество.

Во время весеннего половодья и паводков уровень воды в реке, поднимаясь выше уровня речного потока, направленного к реке, вызывает отток воды из нее и подъем уровня грунтовых вод. Это снижает высоту уровня весенних половодий. На спаде грунтовые воды начинают питать реку, и уровень грунтовых вод понижается.

Грунтовые воды могут образовываться за счет искусственных гидротехнических сооружений например таких, как оросительные каналы. Так, при строительстве Каракумской оросительной системы за счет переброса части стока сибирских рек, в пустынной части значительное количество воды уходило не столько на поливные нужды, сколько на испарение и в грунт. Произошло это вследствие того, что большая часть оросительной системы проходила по песчаным почвам, где коэффициент фильтрации достаточно высок, и несмотря на противофильтрационные меры, падения уровней воды за счет фильтрации воды в грунт были велики. Все это, помимо уменьшения стока рек, приводило к тому, что содержащиеся в грунте соли растворялись грунтовыми водами, и при движении подводных потоков обратно в канал происходило заиление и засоление последнего.

По условиям залегания подземные воды подразделяются на:

1. почвенные;

2. грунтовые;

3. межпластовые;

4. артезианские;

5. минеральные.

Почвенные воды заполняют часть промежутков между частицами почвы, они могут быть свободными (гравитационными), перемещающимися под влиянием силы тяжести, или связанными, удерживаемыми молекулярными силами.

Грунтовые воды образуют водоносный горизонт на первом от поверхности водоупорном слое. 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. Эти воды в большей мере подвержены загрязнению.

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.

Напорные межпластовые воды полностью заполняют водоносный горизонт и находятся под давлением и могут изливаться на земную поверхность. Напором обладают все воды, заключенные в слоях, залегающих в вогнутых тектонических структурах.

Артезианские источники. Вода, поступающая в пористые проницаемые слои, перекрытые водонепроницаемыми породами, может под давлением фонтанировать в низко расположенных выходах, образуя артезианский источник. Иногда артезианские водоносные горизонты занимают значительную площадь, и тогда артезианские источники имеют высокий и довольно постоянный расход воды. Часть известных оазисов северной Африки приурочена к таким артезианским источникам.

Там, где имеются разломы в земной коре, артезианские воды поднимаются из водоносных горизонтов вдоль линий разломов. В период между сезонами дождей они нередко иссякают.

Минеральные источники. Вода минеральных источников содержит значительное количество растворенных химических веществ. Теплые и горячие источники обычно имеют более высокую минерализацию, поскольку химические реакции протекают более интенсивно при повышенных температурах. Гейзеры - фонтанирующие горячие источники в районах вулканической деятельности.

По условиям движения в водоносных слоях различают подземные воды, циркулирующие в рыхлых (песчаных, гравийных и галечниковых) слоях и в трещиноватых скальных породах. В зависимости от залегания, характера пустот водовмещающих пород, подземные воды делятся на:

- поровые - залегают и циркулируют в четвертичных отложениях: в песках, галечниках и др. обломочных породах;

- трещинные (жильные) - в скальных породах (гранитах, песчаниках);

- карстовые (трещинно-карстовые) - в растворимых породах (известняках, доломитах, гипсах и др.).

Карстовые источники. Крупнейшие в мире источники часто связаны с выходом вод из карстующихся известняков.

Содержащие углекислый газ просачивающиеся воды способны растворять известняки, поэтому во многих районах, сложенных известняками, распространены карстовые пещеры и каналы. В таких районах довольно часто встречаются подземные реки и очень крупные карстовые источники, например, Воклюз на юге Франции, считающийся одним из самых мощных в мире, и Силвер-Спрингс во Флориде, славящийся поразительной чистотой воды.

Источники в пористых лавах. Крупные источники имеются в местах выхода подземных вод из горизонтов, сложенных пористыми трещиноватыми лавами.

Например, группа таких источников, приуроченных к лавовому плато, питает р. Снейк ниже водопада Шошони (шт. Айдахо США).

Горячие источники. Большинство горячих источников приурочено к вулканическим областям, в которых вода нагревается от горных пород, верхних слоев земной коры, расположенных вблизи вулканов, хотя, возможно, часть воды имеет магматическое происхождение.

В некоторых горячих источниках (например, Уорм-Спрингс в Виргинии) высокая температура воды обусловлена подъемом воды с больших глубин (ведь температура пород повышается примерно на 1°С с увеличением глубины на 30 м.).

Источник - естественный выход подземных вод на земную поверхность. Подземные воды находятся в полостях, порах и трещинах горных пород в верхней части земной коры. Верхняя граница водонасыщенной зоны называется зеркалом, или уровнем, подземных вод. Там, где водоносные горизонты пересекаются с земной поверхностью, возникают источники. Поскольку глубина грунтовых вод меняется в зависимости от сезона и количества выпадающих осадков, источники могут внезапно исчезать, быть просачивающимися, капельными или бить ключом. Источники на склонах холмов.

В районах с расчлененным рельефом часть воды, которая просачивается в грунт в верхней части холма, может снова выйти на поверхность ниже по склону в виде источника, расположенного выше уровня водотока (рис. 1). Это происходит, если зеркало грунтовых вод находится выше уровня водотока. Источники возникают там, где вода при движении вниз встречает водоупорный горизонт, а затем выходит на поверхность в месте обнажения водопроницаемых пород. Расход воды источников на склонах холмов обычно невелик и изменчив.

Рис. 1. - Формирование источников подземных вод:

1.2 Виды воды в горных породах

Вода в горных породах содержится в различных агрегатных состояниях:

1. Кристаллизационная вода находится в составе кристаллической решетки некоторых минералов, например, в гипсе - CaSO4*2H2O (~21% воды по массе), мирабилите Na2SO4*10H2O (~56% воды по массе). Если эти минералы нагревать, то вода высвобождается из кристаллической решетки. Так, гипс потеряет одну молекулу воды при +107°С, а вторую - при +170°С, после чего он превращается в ангидрит - CaSO4;

2. Вода в твердом виде встречается в многолетнемерзлых породах в виде кристаллов и прожилков льда. Также лед образуется и при сезонном промерзании воды, содержащейся в горных породах;

3. Вода в виде пара содержится в воздухе, который находится в порах горной породы;

4. Прочносвязанная вода располагается в виде молекулярной прерывистой пленки на поверхности мельчайших частиц таких пород, как глинистые суглинки. Эта пленка удерживается силами молекулярного сцепления и не может стечь с поверхности частицы;

5. Рыхлосвязанная вода представляет собой более толстую пленку из нескольких слоев молекул воды на частицы породы. Эта вода обладает способностью перемещаться от более толстой пленке к менее толстой;

6. Капельножидкая (гравитационная) вода уже обладает способностью свободно перемещаться в горной породе по трещинам и порам под действием силы тяжести, начиная с верхнего почвенного слоя;

7. Капиллярная вода, как следует из названия, находится в тончайших капиллярных (лат. волосяной) трубочках или порах, в которых удерживается силами поверхностного натяжения с образованием менисков. Капиллярная вода обычно располагается выше уровня грунтовых вод и при этом она может подниматься подтягиваясь вверх от этого уровня на 1,5-3 м. Капиллярная кайма, будучи связана с уровнем грунтовых вод, колеблется вместе с ним.

Выше уровня грунтовых вод может располагаться еще одна неширокая кайма капиллярно-подвешенной воды, удерживаемой в тонких порах почвы и подпочвенных горизонтов суглинков и глин.

Подземные воды распределяются в верхней части земной коры вполне закономерно. Самая верхняя часть земной коры, вблизи поверхности, называют зоной аэрации, т. к., она связана с атмосферой и с почвенным покровом. Ниже нее залегает зона полного насыщения, где вода распространена преимущественно в жидком виде, тогда как в зоне аэрации она может быть и парообразной.

Если температуры отрицательны, то вода в этих двух зонах может присутствовать и в виде льда.

Таким образом, зона аэрации представляет собой как бы переходный буферный слой между атмосферой и гидросферой. В зоне полного насыщения все поры заполнены капельножидкой водой и тогда образуется водоносный горизонт. Однако горные породы в различной степени проницаемы для воды, что зависит от ряда факторов. Следует подчеркнуть, что пористость и проницаемость не одно и тоже.

Горные породы подразделяются на:

1. Водопроницаемые - песок, гравий, галечники, конгломераты, трещиноватые песчаники, доломиты, закарстованные известняки и др. и это несмотря на то, что галечники, прекрасно проницаемые для воды, имеют пористость всего 20%. Пески обладают пористостью в 30-35%;

2. К слабопроницаемым породам относятся супеси, легкие суглинки, лёссы;

3. Водоупорными считаются все возможные глины, тяжелые суглинки, плотные сцементированные породы (табл. 1).

Таблица 1. - Прочность и проницаемость горных пород:

Глины имеют пористость в 50-60%. Все дело в том, что поры в глинах очень тонкие (субкапиллярные) и вода через них не может проникнуть, т. к., задерживается силами поверхностного напряжения. Водопроницаемость зависит не от количества пор, а от размера и формы слагающих породу зерен и от плотности их сложения. Способность горных пород накапливать и удерживать в себе воду называется влагоемкостью.

Под полной влагоемкостью понимают такое состояние породы, в которой все виды пор заполнены водой. Максимальная молекулярная влагоемкость - это то количество воды, которое остается в горной породе после того, как стечет вся капельножидкая гравитационная вода. Оставшаяся вода удерживается в порах силами молекулярного сцепления и поверхностного натяжения.

Разница между полной влагоемкостью и максимальной молекулярной влагоемкостью называется водоотдачей, а удельной водоотдачей - количество воды, получаемой из 1 м³ горной породы.

Классифицировать подземные воды можно по разным признакам - по условиям залегания, по происхождению, по химическому составу. Типы подземных вод по условиям залегания. Выделяются воды безнапорные, подразделяющиеся на верховодку, грунтовые и межпластовые, а также напорные или артезианские.

Верховодка - это временное скопление воды в близ поверхностном слое в пределах зоны аэрации, располагающееся в водоносных отложениях, лежащих на линзовидном, выклинивающемся водоупоре. Как правило, верховодка появляется весной, когда тают снега или в дождливое время, но потом она может исчезнуть. Поэтому колодцы, выкопанные до верховодки, летом пересыхают.

Временными водоупорами могут быть любые выклинивающиеся линзовидные пласты глин и тяжелых суглинков, располагающиеся в толще водоносных аллювиальных или флювиогляциальных отложений.

Грунтовые воды представляют собой первый сверху постоянный водоносный горизонт, располагающийся на первом же протяженном водоупорном слое. Питаются грунтовые воды из области водосбора в пределах водоносного горизонта. Грунтовые воды могут быть связаны с любыми породами как рыхлыми, так и твердыми, но трещиноватыми. Поверхность грунтовых вод называется зеркалом, а мощность водосодержащего слоя оценивается вертикалью от зеркала до кровли водоупорного горизонта и она не остается постоянной, а меняется из-за неровностей рельефа, положения уровня разгрузки, количества атмосферных осадков, изгиба кровли водоупорного слоя. Выше зеркала грунтовых вод образуется кайма капиллярно подтянутой воды.

1.3 Движение и режим грунтовых вод

Зеркало грунтовых вод ведет себя в зависимости от рельефа повышаясь на водоразделах и понижаясь к рекам, оврагам и другим местам дренирования (фр. дренаж - сток). Естественно, что вода в водоносном слое под действием силы тяжести находится в непрерывном движении и стремится достичь наиболее низкого места в рельефе, например, уреза воды в реке, тальвега дна оврага. Именно там, в области разгрузки подземных вод, образуются родники. Вода в водоносном слое перемещается в зависимости от пористости пород, характера соприкосновения частиц, формы и размеров пор, уклона водоносного слоя. Обычно в песках скорость движения воды при небольших уклонах составляет от 0,5до 2-3 м/сутки. Но если уклон большой и поры велики, то скорость может достигать первых десятков м/сутки.

В зависимости от количества атмосферных осадков объем грунтовых вод может изменяться и летом дебит (фр. дебит - расход) источников падает, а в сильные засухи родники даже пересыхают. Зеркало грунтовых вод особенно сильно может понижаться в связи с забором воды для промышленных нужд. Вокруг скважин, откачивающих воду, уровень грунтовых вод постепенно понижается и образуется депрессионная воронка.

Межпластовые безнапорные подземные воды приурочены к водоносным слоям, располагающимся между двумя водоупорными слоями. Иногда таких водоносных пластов может быть несколько. Если водоносный горизонт обладает большой мощностью и выше его зеркала находится озеро, пруд или река, то направление течения воды в водоносном горизонте будет проходить по изогнутым линиям, стремящимся к реке.

Напорные или артезианские межпластовые воды образуются в том случае, если водоносный горизонт, зажатый между двумя водоупорными, приурочен либо к пологой синклинали или мульде, или к моноклинали, или еще к каким-нибудь структурам, в которых возможно образование напорного градиента.

Напорный или гидравлический градиент:

I = h / l

Где:

h - превышение одной точки зеркала грунтовых вод над другой;

l - расстояние между ними.

Напорные воды обладают способностью самоизливаться и фонтанировать, т. к., находятся под гидростатическим давлением.

Впервые такие фонтаны воды были получены во Франции в провинции Артуа, поэтому они и стали называться артезианскими. Каждый артезианский бассейн включает в себя области: питания, напора и разгрузки. Первая область представляет собой выход на поверхность водоносного слоя, на которую выпадают все атмосферные осадки, питающие этот водоносный горизонт. Область напора заключена между двумя водоупорами - водоупорной кровлей и водоупорным ложем, а там, где водоносный слой появляется на поверхности, или вскрывается скважинами, но ниже области питания, называется областью разгрузки. Нередко в артезианских бассейнах развито сразу несколько водоносных напорных горизонта, что особенно характерно для артезианских бассейнов в межгорных впадинах, где глубины водоносных горизонтов могут превышать 1000-1500 м.

В платформенных областях, где артезианские бассейны большие, верхние водоносные горизонты до глубин в 200-500 м. содержат преимущественно пресные воды, а ниже воды обладают уже высокой минерализацией.

В центре Европейской части России находится Московский артезианский бассейн, располагающийся в пологой чашеобразной впадине - Московской синеклизе. Водоносные горизонты связаны с трещиноватыми каменноугольными и девонскими известняками а водоупорами служат прослои глин. Области питания располагаются на крыльях синеклизы.

В девонских карбонатных отложениях на глубинах от 400 до 600 м., развиты минеральные воды с минерализацией 2,4-4,5 г/л. Это всем хорошо известная московская минеральная вода. В Московском артезианском бассейне сосредоточены большие запасы пресных и промышленных вод.

На всю территорию России составлены карты распространения артезианских бассейнов и подсчитаны запасы в них воды, как пресной, так промышленной и термальной.

Типы источников. Всем хорошо известны выходы подземных вод на поверхность в виде родников и ключей с холодной, вкусной водой. Родники появляются там, где происходит разгрузка водоносных горизонтов.

Нисходящие источники чаще всего располагаются недалеко от уреза воды в долине реки, в нижней части склонов оврагов, там где к поверхности подходят водоупорные горизонты. Источники этого типа связаны как с верховодкой, так и с грунтовыми, а также межпластовыми водами. Все они характеризуются изменяющимся дебитом, вплоть до высыхания в жаркое лето. В источниках нисходящего типа вода изливается спокойно, в виду небольшого угла наклона слоев. Нередко можно наблюдать вдоль берега реки сплошную линию сочащихся подземных вод. Нисходящие источники обычно водообильные, поэтому местами они дают начало ручьям и небольшим речкам, как происходит с карстовыми источниками, вытекающими из пещер.

Восходящие источники - это выходы на поверхность в местах разгрузки напорных вод, тогда как сам водоносный горизонт расположен на много ниже. Вода может подниматься вверх по трещинам или тектоническому разлому. Вокруг минеральных источников, особенно углекислых вод, на поверхности образуется скопление известкового туфа или травертина, иногда достигающего нескольких метров мощности. Такие травертины белого, желтоватого или розового цветов известны на г. Машук в Пятигорске, в районе Кавказских минеральных вод. Туф образуется из гидрокарбонатно-кальциевых вод, когда гидрокарбонат Ca(HCO3)² переходит в СаСО3 при уходе в воздух СО2 - углекислого газа. В травертинах часто находят отпечатки листьев растений, кости древних животных, которые постепенно обволакиваются известковым туфом.

1.4 Подземные воды и окружающая среда

Гидрогеологические процессы, происходящие в верхней части земной коры тесно связаны с хозяйственной деятельностью человека - водоснабжением, эксплуатацией городских агломераций, обоснованием строительства и т. д.

Именно в области прикладной геологи и очень важно понимать существо природно-технического взаимодействия, усиливающегося техногенного пресса на геологическую среду. Одной из важных задач прикладной геологии является обоснование водозабора для хозяйственно-питьевого водоснабжения, а, сейчас, особенно, оценка качества воды. Какое количество воды можно извлечь из данного водоносного слоя? Как при этом изменится уровень грунтовых вод? Какова будет депрессионная воронка и как быстро она сформируется? Какова должна быть ширина зоны санитарной охраны? На все эти вопросы надо дать ответ. В связи с отбором воды из водоносных горизонтов разного типа, изменяется водный режим ландшафтов, изменение растительности, поверхностный сток, напряженно-деформированное состояние водонасыщенных горных пород. Понижение уровня грунтовых вод приводит к угнетению лесов, к осушению и возгоранию летом торфяников, к уменьшению поверхностного водного стока и обмелению небольших рек, эвтрофикации мелеющих озер, оседанию отдельных участков земной поверхности. Поэтому необходим мониторинг влияния водоотбора на окружающую среду, а так же геофильтрационное моделирование потока подземных вод.

Для многих городов характерно подтопление территорий, т. е., повышение уровня грунтовых вод за счет повышенной инфильтрации осадков, утечек промышленных вод, искусственного орошения.

Такое подтопление вызывает усиление оползневых явлений, суффозии (вымывания), уменьшение прочностных свойств грунтов.

Поэтому необходимо проводить дренаж, чтобы снизить уровень грунтовых вод. Другая опасность -это техногенное загрязнение подземных вод из атмосферы в виде твердой и жидкой фаз, закачка промышленных стоков, утечки из систем канализации, свалки, нефтепродукты и другие способствуют проникновению токсичных веществ сначала в зону аэрации, а потом и в водоносные горизонты.

Все сказанное выше свидетельствует об уязвимости водоснабжения населения в связи с усиливающимся техногенным загрязнением. Существует еще много очень важных вопросов, касающихся прикладной гидрогеологии. Отсюда следует очевидный вывод о том поистине жизненном значении, которое приобретает наука о подземных водах.

1.5 Основные методы очистки воды

Основные методы очистки сточных вод. Методы, применяемые для очистки производственных и бытовых сточных вод, можно разделить на три группы: механические, физико-химические, биологические. В комплекс очистных сооружений, как правило, входят сооружения механической очистки. В зависимости от требуемой степени очистки они могут дополняться сооружениями биологической либо физико-химической очистки, а при более высоких требованиях в состав очистных сооружений включаются сооружения глубокой очистки. Перед сбросом в водоем очищенные сточные воды обеззараживаются, образующийся на всех стадиях очистки осадок или избыточная биомасса поступает на сооружения по обработке осадка. Очищенные сточные воды могут направляться в оборотные системы водообеспечения промышленных предприятий, на сельскохозяйственные нужды или сбрасываться в водоем. Обработанный осадок может утилизироваться, уничтожаться или складироваться.

Механическая очистка применяется для выделения из сточных вод нерастворенных минеральных и органических примесей. Как правило, она является методом предварительной очистки и предназначена для подготовки сточных вод к биологическим или физико-химическим методам очистки. В результате механической очистки обеспечивается снижение взвешенных веществ до 90%, а органических веществ до 20%.

В состав сооружений механической очистки входят решетки, различного вида уловители, отстойники, фильтры. Песколовки применяются для выделения из сточных вод тяжелых минеральных примесей, в основном песка. Обезвоженный песок при надежном обеззараживании может быть использован при производстве дорожных работ и изготовлении строительных материалов. Усреднители применяются для регулирования состава и расхода сточных вод.

Усреднение достигается либо дифференцированием потока поступающей сточной воды, либо интенсивным перемешиванием отдельных стоков. Первичные отстойники применяются для выделения из сточных вод взвешенных веществ, которые под действием гравитационных сил оседают на дно отстойника, или всплывают на его поверхность.

Для очистки сточных вод, содержащих нефть и нефтепродукты, при концентрациях более 100 мг/л.

Эти сооружения представляют собой прямоугольные резервуары, в которых происходит разделение нефти и воды за счет разности их плотностей. Нефть и нефтепродукты всплывают на поверхность, собираются и удаляются на утилизацию.

Биологическая очистка - широко применяемый на практике метод обработки бытовых и производственных сточных вод.

В его основе лежит процесс биологического окисления органических соединений, содержащихся в сточных водах. Биологическое окисление осуществляется сообществом микроорганизмов, включающим множество различных бактерий, простейших и ряд более высокоорганизованных организмов - водорослей, грибов и т. д., связанных между собой в единый комплекс сложными взаимоотношениями (метабиоза, симбиоза и антагонизма).

Химические и физико-химические методы очистки играют значительную роль при обработке производственных сточных вод.

Они применяются как самостоятельные, так и в сочетании с механическими и биологическими методами. Нейтрализация применяется для обработки производственных сточных вод многих отраслей промышленности, содержащих щелочи и кислоты. Нейтрализация сточных вод осуществляется с целью предупреждения коррозии материалов водоотводящих сетей и очистных сооружений нарушения биохимических процессов в биологических окислителях и водоемах.



2. Физико-химические свойства воды

2.1 Физические свойства воды

Чистая вода представляет собой бесцветную прозрачную жидкость. Плотность воды при переходе ее из твердого состояния в жидкое не уменьшается, как почти у всех других веществ, а возрастает. При нагревании воды от 0 до 4°С плотность её также увеличивается.

При 4°С вода имеет максимальную плотность, и лишь при дальнейшем нагревании её плотность уменьшается.

Если бы при понижении температуры и при переходе из жидкого состояния в твердое плотность воды изменялась так же, как это происходит у подавляющего большинства веществ, то при приближении зимы поверхностные слои природных вод охлаждались бы до 0°С и опускались на дно, освобождая место более тёплым слоям, и так продолжалось бы до тех пор, пока вся масса водоёма не приобрела бы температуру 0°С.

Далее вода начинала бы замерзать, образующиеся льдины погружались бы на дно и водоём промерзал бы на всю его глубину. При этом многие формы жизни в воде были бы невозможны. Но так как наибольшей плотности вода достигает при 4°С, то перемещение ее слоёв, вызываемое охлаждением, заканчивается при достижении этой температуры.

При дальнейшем понижении температуры охлаждённый слой, обладающий меньшей плотностью, остается на поверхности, замерзает и тем самым защищает лежащие ниже слои от дальнейшего охлаждения и замерзания. Большое значение в жизни природы имеет и тот факт, что вода обладает аномально высокой теплоёмкостью (4,18 Дж/(гК)), поэтому в ночное время, а также при переходе от лета к зиме вода остывает медленно, а днем или при переходе от зимы к лету так же медленно нагревается, являясь, таким образом, регулятором температуры на земном шаре. В связи с тем, что при плавлении льда объём, занимаемый водой, уменьшается, давление понижает температуру плавления льда. Эта вытекает из принципа Ле Шателье. Действительно, пусть лед и жидкая вода находятся в равновесии при О°С. При увеличении давления равновесие, согласно принципу Ле Шателье, сместится в сторону образования той фазы, которая при той же температуре занимает меньший объем.

Этой фазой является в данном случае жидкость. Таким образом, возрастание давления при О°С вызывает превращение льда в жидкость, а это и означает, что температура плавления льда снижается.

Молекула воды имеет угловое строение, входящие в ее состав ядра образуют равнобедренный треугольник, в основании которого находятся два протона, а в вершине - ядро атома кислорода. Межъядерные расстояния О-Н близки к 0,1 нм, расстояние между ядрами атомов водорода равно примерно 0,15 нм. Из восьми электронов, составляющих внешний электронный слой атома кислорода в молекуле воды.

Две электронные пары образуют ковалентные связи О-Н, а остальные четыре электрона представляют собой две не поделённых электронных пары.

Валентный угол НОН (104,3°) близок к тетраэдрическому (109,5°).

Электроны, образующие связи О-Н, смещены к более электроотрицательному атому кислорода. В результате атомы водорода приобретают эффективные положительные заряды, так что на этих атомах создаются два положительных полюса. Центры отрицательных зарядов не поделённых электронных пар атома кислорода, находящиеся на гибридных - орбиталях, смещены относительно ядра атома и создают два отрицательных полюса. Молекулярная масса парообразной воды равна 18 и отвечает её простейшей формуле.

Однако молекулярная масса жидкой воды, определяемая путем изучения ее растворов в других растворителях, оказывается более, высокой. Это свидетельствует о том, что в жидкой воде происходит ассоциация молекул, т. е., соединение их в более сложные агрегаты. Такой вывод подтверждается и аномально высокими значениями температур плавления и кипения воды. Ассоциация молекул воды вызвана образованием между ними водородных связей. В твердой воде (лёд) атом кислорода каждой молекулы участвует в образовании двух водородных связей с соседними молекулами воды согласно схеме, в которой водородные связи показаны пунктиром.

Образование водородных связей приводит к такому расположению молекул воды, при котором они соприкасаются друг с другом своими разноимёнными полюсами. Молекулы образуют слои, причём каждая из них связана с тремя молекулами, принадлежащими к тому же слою, и с одной - из соседнего слоя. Структура льда принадлежит к наименее плотным структурам, в ней существуют пустоты, размеры которых несколько превышают размеры молекулы.

При плавлении льда его структура разрушается. Но и в жидкой воде сохраняются водородные связи между молекулами: образуются ассоциаты - как бы обломки структуры льда, состоящих из большего или меньшего числа молекул воды. Однако в отличие ото льда каждый ассоциат существует очень короткое время: постоянно происходит разрушение одних и образование других агрегатов.

В пустотах таких «ледяных» агрегатов могут размещаться одиночные молекулы воды, при этом упаковка молекул воды становится более плотной. Именно поэтому при плавлении льда объём, занимаемый водой, уменьшается, а её плотность возрастает.

По мере нагревания воды, обломков структуры льда в ней становится все меньше, что приводит к дальнейшему повышению плотности воды. В интервале температур от 0 до 4°С этот эффект преобладает над тепловым расширением, так что плотность воды продолжает возрастать.

Однако при нагревании выше 4°С преобладает влияние усиления теплового движения молекул и плотность воды уменьшается. Поэтому при 4°С вода обладает максимальной плотностью. При нагревании воды часть теплоты затрачивается на разрыв водородных связей (энергия разрыва водородной связи в воде составляет примерно 25 кДж/моль). Этим объясняется высокая теплоемкость воды. Водородные связи между молекулами воды полностью разрываются только при переходе воды в пар.

2.2 Химические свойства воды

Молекулы воды отличаются большой устойчивостью к нагреванию. Однако при температурах выше 1000°С водяной пар начинает разлагаться на водород и кислород:

Процесс разложения вещества в результате его нагревания называется термической диссоциацией. Термическая диссоциация воды протекает с поглощением теплоты. Поэтому, согласно принципу Ле Шателье, чем выше температура, тем в большей степени разлагается вода. Однако даже при 2000°С степень термической диссоциации воды не превышает 2%, т. е., равновесие между газообразной водой и продуктами ее диссоциации - водородом и кислородом - все еще остается сдвинутым в сторону воды. При охлаждении же ниже 1000°С равновесие практически полностью сдвигается в этом направлении.

Вода - весьма реакционно-способное вещество. Оксиды многих металлов и неметаллов соединяются с водой, образуя основания и кислоты, некоторые соли образуют с водой кристаллогидраты, наиболее активные металлы взаимодействуют с водой с выделением водорода.

Вода обладает также каталитической способностью. В отсутствие следов влаги практически не протекают некоторые обычные реакции, например, хлор не взаимодействует с металлами, фтор-водород не разъедает стекло, натрий не окисляется в атмосфере воздуха.

Вода способна соединяться с рядом веществ, находящихся при обычных условиях в газообразном состоянии, образуя при этом так называемые гидраты газов. Примерами могут служить соединения Хе6НО, CI8HO, СН6НО, СН17НО, которые выпадают в виде кристаллов при температурах от 0 до 24°С (обычно при повышенном давлении соответствующего газа). Подобные соединения возникают в результате заполнения молекулами газа («гостя») межмолекулярных полостей, имеющихся в структуре воды («хозяина»), они называются соединениями включения или клатратами.

В клатратных соединениях между молекулами «гостя» и «хозяина» образуются лишь слабые межмолекулярные связи, включенная молекула не может покинуть своего места в полости кристалла преимущественно из-за пространственных затруднений, поэтому клатраты - неустойчивые соединения, которые могут существовать лишь при сравнительно низких температурах. Клатраты используют для разделения углеводородов и благородных газов. В последнее время образование и разрушение клатратов газов (пропана и некоторых других) успешно применяется для обессоливания воды. Нагнетая в солёную воду при повышенном давлении соответствующий газ, получают льдоподобные кристаллы клатратов, а соли остаются в растворе. Похожую на снег массу кристаллов отделяют от маточного раствора и промывают, затем при некотором повышении температуры или уменьшении давления клатраты разлагаются, образуя пресную воду и исходный газ, который вновь используется для получения клатрата. Высокая экономичность и сравнительно мягкие условия осуществления этого процесса делают его перспективным в качестве промышленного метода опреснения морской воды.

Тяжелая вода. При электролизе обычной воды, содержащей наряду с молекулами НО также незначительное количество молекул DO, образованных тяжелым изотопом водорода, разложению подвергаются преимущественно молекулы НО. Поэтому при длительном электролизе воды остаток постепенно обогащается молекулами DO. Из такого остатка после многократного повторения электролиза в 1933 г. впервые удалось выделить небольшое количество воды, состоящей почти на 100% из молекул DО и получившей название тяжелой воды. По своим свойствам тяжелая вода заметно отличается от обычной воды (таблица). Реакции с тяжелой водой протекают медленнее, чем с обычной. Тяжелую воду применяют в качестве замедлителя нейтронов в ядерных реакторах.

Таблица 2. - Сравнительная характеристика тяжелой воды и обычной:

Физические свойства	D2O	H2O
Молекулярная масса	20	18
Плотность про 20оС(г/см3)	1,1050	0,9982
Т кристаллизации (оС)	3,8	0
Т кипения (оС)	101,4	100

3. Формы рельефа созданные в результате подземных вод

Скорость движения подземных вод мала, поэтому они воздействуют на рельеф большей частью не механически, а путем растворения горных пород. Растворяются известняки, каменная соль, гипс и некоторые другие породы. Растворяя породу, вода образует полости, пещеры, провалы и т. д.

Весь этот комплекс процессов и образующихся в результате их наземных и подземных форм рельефа носит название карст - по названию плоскогорья Карст, или Крас (Kras), на северо-западе Балканского полуострова. Формы рельефа, образованные карстовыми процессами, называются карстовыми формами. Растворимые горные породы, в которых образуются эти формы, называются карстующимися породами.

Все карстующиеся породы трещиноваты, в трещинах свободно циркулирует вода. Она растворяет породу, а если испаряется, то откладывает выпавшее из раствора вещество. В местах, где породы растворились, образуются полости, нередко весьма значительные. Полости, открывающиеся на земную поверхность одним или несколькими выходными отверстиями, называются пещерами (рис. 2).

Наиболее крупные пещеры - сложные системы проходов и залов, суммарная длина которых достигает иногда десятков километров. Наиболее крупной в мире считается Мамонтова пещера в известняках в предгорьях Аппалачей (США), соединяющаяся с другой огромной пещерой Флинт-Ридж, общая длина системы этих пещер достигает 500 км. Широко известна Кунгурская пещера в гипсах на Урале.

Рис. 2. - Пещеры:

Характерные формы рельефа пещер - сталактиты, сталагнаты и сталагмиты.

Сталактиты (от греч. stalakto's - натекший по капле) возникают в результате выпадения в осадок растворенного вещества при испарении капель, свисающих сверху, они нависают в виде сосулек, трубок, гребенок, бахромы.

Сталагмиты (от греч. sta'lagma - капля) образуются на дне пещер при испарении упавших сверху капель, вырастая вверх в виде сосулек, столбиков, стеблей.

Сталактиты и сталагмиты могут срастаться, образуя сталагнаты (иначе - сталактоны) (рис. 3).



Рис. 3. - Сталактиты, сталагмиты, сталагнаты:

Характер форм рельефа, образующихся на земной поверхности, зависит от того, залегают ли карстующиеся породы на поверхности или они перекрыты другими, не карстующимися.

В первом случае наблюдается голый карст, во втором - покрытый. Формы голого карста более резкие, водотоки образуют ложбины с крутыми склонами, с острыми гребнями между ними. При покрытом карсте залегающие сверху не карстующиеся породы, если они рыхлые, смягчают формы рельефа, делают перегибы поверхности не столь резкими. Влияние же покрывающих пород и растительности на сам карстовый процесс может быть различным: в одних условиях процесс замедляется, в других же может, наоборот, ускориться.

Так, просачиваясь сквозь почвы зоны лесов умеренного пояса (подзолистые, серые или бурые лесные), воды атмосферных осадков приобретают довольно высокую кислотность, и растворение карстующихся пород происходит значительно быстрее.

Наиболее характерные формы карстового рельефа - воронки. Это замкнутые впадины конической, чашеобразной или иной формы диаметром от нескольких метров до 50 м., редко до 400 м., глубина до 15, изредка до 200 м. Воронки располагаются поодиночке или цепью вдоль разлома, вдоль выхода слоя карстующейся породы или вдоль подземного водотока. Карстовые воронки образуются путем растворения поверхностных пород или при обрушении кровли подземной полости. В местах, где карст широко распространен, образуется характерный карстовый ландшафт - комплекс взаимосвязанных форм рельефа, дополняющих друг друга. Кроме воронок, для карстового ландшафта характерны реки, уходящие под землю и появляющиеся вновь, небольшие, но нередко очень глубокие озера.

Известняк растворяется только в угольной кислоте, но примесь CO2, превращающая воду в слабую угольную кислоту, в воде обычно присутствует - из воздуха или органических веществ. Гипс и каменная соль растворяются гораздо лучше известняка.

Если недалеко друг от друга расположены выходы гипса и известняка, то это сразу бросается в глаза: в местах распространения известняков расстояния между воронками обычно десятки метров, а там, где выходит гипс, выбравшись из одной воронки, нередко сразу попадаешь в другую.

Однако известняковый карст распространен гораздо больше, чем гипсовый или соляной, потому что гораздо более широкое распространение имеют известняки. подземный гидрогеологический вода

Карстовые пещеры - объект туризма. Но в целом карст - вредное явление природы, он затрудняет строительство и причиняет вред уже существующим сооружениям, сельскохозяйственным угодьям.



Заключение

Основные проблемы использования и защиты подземных вод заключается в том, что в силу своего местонахождения они лучше защищены от внешних воздействий, чем поверхностные, однако имеются серьёзные симптомы неблагоприятного изменения режима подземных вод на больших площадях и в широком диапазоне глубин. К ним относятся:

- истощение и понижение уровня подземных вод из-за чрезмерного отбора;

- внедрение на побережье морских солёных вод;

- образование депрессионных воронок и другие.

Большую опасность представляет загрязнение подземных вод. Можно выделить два типа загрязнений - бактериальное и химическое. В определённых условиях в водоносные горизонты могут проникать сточные и промышленные воды, загрязнённые поверхностные воды и атмосферные осадки. При создании водохранилищ в результате подпора происходит повышение уровня грунтовых вод.

Положительным следствием такого изменения режима является увеличение их ресурсов в прибрежной зоне водохранилища, отрицательными - подтопление прибрежной зоны, что вызывает заболачивание территории, а так же засоление почв и грунтовых вод вследствие повышенного их испарения при неглубоком залегании.

Ввиду небольших паводковых явлений (или вообще их отсутствия) на зарегулированных реках поводочное питание подземных вод значительно уменьшено. Скорости течения на таких реках снижаются, что способствует заилению русла, поэтому взаимосвязь речных и подземных вод затруднена.

В определённых условиях отбор подземных вод может оказать существенное влияние на качество поверхностных вод. В первую очередь это относится к промышленной эксплуатации и сбросу минерализованных вод, сбросу шахтных и попутных нефтяных вод.

Отсюда следует, что должно предусматриваться комплексное использование и регулирование ресурсов поверхностных и подземных вод. Примерами такого подхода могут служить использование подземных вод для орошения в маловодные годы, а так же искусственное восполнение запасов подземных вод и сооружение подземных водохранилищ.

1. Вода - это жидкость без цвета, вкуса и запаха, температура плавления - 0°С, температура кипения - 100°С, удельная теплоемкость - 4,18 Дж/(гК);

2. Вода имеет химическую формулу H2O, молекула воды имеет угловое строение;

3. Вода существует в трех агрегатных состояниях - жидком, твердом и газообразном;

4. Вода - реакционно-способное вещество;

5. Ионный состав различных природных вод заметно отличается;

6. Существуют разные методы очистки воды.



Список использованных источников

1. Бондарев В.П. Геология. Курс лекций: Учебное пособие для студентов учреждений среднего профессионального образования. - М.: Форум: Инфра М., 2002. - 224 с.

2. Глинка Н.Л.Общая химия. Учебник для вузов., под редакцией: Попков В.А. Бабков А.В., 18-е изд., перераб. и доп. - М.: ЮРАЙТ, 2012. - 899 с.

3. Киссин И.Г. Вода под землёй. - М.: Наука, 1976. - 224 с.

4. Киссин И.Г. Вода под землей. М., Наука, 1976.

5. Короновский Н.В. Общая геология. Издательство Московского университета, 2002.

6. Новиков Ю.В., Сайфутдинов М.М. Вода и жизнь на Земле. - М.: Наука, 1981. - 184 с.

7. Пиннекер Е.В. Подземная гидросфера. Наука. Сиб. Отд., Новосибирск, 1984.

8. Плотников Н.И. Подземные воды - наше богатство. М., Недра, 1976.

9. Разумов Г.А. Подземная вода. М., Наука, 1975.

Размещено на Allbest.ru

...