Основы гидрогеологии

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Предмет гидрогеология

Гидрогеология - наука о происхождении, условиях залегания, закономерностях распространения и движения подземных вод в земной коре, их физических свойствах, химическом, бактериальном и газовом составе, а также об их режиме и процессах взаимодействия с атмосферой, наземной гидросферой, биосферой, горными породами и веществом мантии Земли.

Гидрогеология является частью геологии и изучает подземные воды на основе анализа истории развития земной коры

Значение подземных вод, как одного из наиболее подвижных тел земной коры, исключительно велико во всех геологических процессах.

Очень важна роль подземных вод в практической деятельности человека. Издавна подземные воды используются для питья и хозяйственных целей.

Подземные воды широко используются для лечебных целей (различные минеральные воды).

Исключительная роль принадлежит подземным водам как источнику химического сырья. Из них во многих странах добывается бор, натрий, литий, магний, хлор, бром, йод, в меньших объёмах германий, рубидий, стронций, кальций, цезий, а также медь, цинк, уран, радий, вольфрам, мышьяк, сера и др.

Серьёзное значение подземные воды имеют как источник тепловой энергии. Теплоснабжение за счёт термальных вод частично осуществляется на Камчатке, в Тюменской и Омской областях и в Бурятии.

В некоторых случаях подземные воды являются вредным фактором и играют отрицательную роль. При строительстве гидротехнических сооружений, тоннелей, метрополитенов, при разработке месторождений полезных ископаемых подземные воды часто осложняют ведение работ и требуют значительных капиталовложений для борьбы с ними.

Ценность воды, как природного минерала, связана с её исключительными свойствами:

исключительная подвижность;

способность к фазовым переходам в термодинамических условиях земной коры;

чрезвычайная химическая активность;

повсеместное распространение

Земная кора на 2/3 закрыта океанами, но оставшаяся 1/3 суши пропитана водой. По мнению ряда авторов количество подземных вод в земной коре соизмеримо с количеством поверхностных.

Исходя из практических целей, чаще учитывают только свободные и физически связанные воды верхней части земной коры до глубины 5 км. В этом случае доля подземных вод в общем балансе всех природных вод относительно невелика (табл. 1)

Объём гидросферы (по М.И.Львовичу)

Сложность и многообразие вод на Земле привели к тому, что это единственное природное тело изучается целым рядом наук. Кроме гидрогеологии, природные воды изучаются океанологией, гидрологией, метеорологией, гляциологией, гидравликойи в меньшей степениминералогией, вулканологией, почвоведением, петрографией и геохимией, с которыми гидрогеология имеет генетическую связь. Кроме того, являясь наукой геологической, она тесно связана с общей геологией, геоморфологией, динамической геологией, тектоникой, структурной геологией и учением о месторождениях полезных ископаемых методиками исследований.

2. Значение гидрогеологии и история развития гидрогеологии как науке связанная с рядом других наук естествознания

Гидрогеология, подобно другим областям знаний, возникла в глубокой древности из практических потребностей человека, но оформилась как наука только в конце XIX в., хотя отрывочные сведения о подземных водах можно найти еще в документах, относящихся к весьма отдаленным периодам истории развития человеческого общества.

Так, на Ближнем Востоке строили колодцы большого диаметра и глубиной до 50 м уже в V-III вв. до н.э. Эти колодцы располагались вдоль караванных путей и обеспечивали водой всех путешественников.

Первые каменные водопроводы в Древней Греции и Риме известны уже в VII-VI в. до н. э. На острове Самос (Греция) был сооружен подземный тоннель длиной 1200 м для водоснабжения города Мегора.

В 312 г. до н. э. был построен подземный самотечный тоннель в г. Аффлиано длиной около 5 км для перехвата воды в известняках.

Близкие взгляды позже развивал древнегреческий философ Платон (427-347 гг. до н.э.), который источником всей речной воды считал огромную подземную пещеру, куда по каналам поступает морская вода. Правда, некоторые историки науки утверждают, что в свое время труды Платона прочитали не совсем верно, и его идеи, оказавшие большое влияние вплоть до средних веков, восприняты неправильно. В своем труде, по их мнению, Платон якобы довольно точно описывает круговорот воды в природе.

Не так к проблемам подземных вод подходили мыслители Ближнего Востока и Средней Азии. Примером являются труды выдающегося арабского философа, уроженца Хорезма Аль-Бируни (972 или 973-1048 гг.), который опередил европейских ученых на шесть-семь столетий в понимании природы фонтанирующих источников и причинах гидростатического напора. Он первым догадался, что для того чтобы вода била вверх, она должна поступать из подземных хранилищ, залегающих выше места расположения родника.

Другим примером является труд персидского исследователя Каради "Поиски скрытых подземных вод", в котором по сути правильно, хотя и формально, дано представление о круговороте воды, ее напоре и качестве, описаны методы поисков, включая бурение.

В середине XIX в. в гидрогеологии разрабатываются законы движения подземных вод. Так, в 1856 г. французский инженер Анри Дарси (1803-1858 гг.), занимаясь проблемами водоснабжения города Дижона, установил основной закон фильтрации в пористом грунте, известном сейчас как линейный закон фильтрации, или закон Дарси, являющийся базовым в подземной гидродинамике.

Наряду с гидродинамикой ведется глубокое изучение и химии воды. В этом плане нельзя не назвать величайшее открытие XIX в., посвященное закону периодической системы элементов великого русского химика Д.И. Менделеева. Этот закон является одним из фундаментальных в области естествознания и является основополагающим для правильного понимания химии всех водных растворов земли и базовым для геохимии в целом и гидрогеохимии в частности.

В дальнейшем гидрогеология развивалась по нескольким направлениям:

1) региональному -- исследовались все новые и новые бассейны подземных вод в разных странах мира и геологических структурах;

2) генетическому -- в научный анализ включались воды все более и более глубоких горизонтов: соленые, рассолы, термальные;

3) гидродинамическому -- вывод новых формул и выявление закономерностей движения воды разных видов в различных геологических структурах, математическое моделирование;

4) гидрогеохимическому -- исследование состава и условий формирования разнообразных типов воды, использование полученных данных в решении различных задач, включая поиски полезных ископаемых;

5) палеогидрогеологическому -- история воды и ее геологическая роль;

6) экологическому -- охрана, рациональное использование и управление подземными водами. Это последнее направление исследований только начинается. Остановимся только на некоторых наиболее общих достижениях гидрогеологии до обобщающих работ В. И. Вернадского.

Все более глубокое проникновение в недра земли вскрыло широкое развитие в них соленых вод и рассолов, генезис которых нельзя было объяснить инфильтрацией атмосферных осадков. Возникла идея наличия в земных недрах ископаемых вод морского генезиса. Эта идея высказана независимо друг от друга австрийским геологом Г. Гёфером (1902 г.), русским академиком Н.И. Андрусовым (1908 г.) и американским гидрологом А. Ч. Лейном (1908 г.). Так, идея древних мыслителей о проникновении морской воды получила новое рождение, правда, на принципиально новой основе. Ископаемые воды -- воды древних морей попадают в недра Земли вместе с захоронением донных отложений и сохраняются в течение геологически длительного времени как реликт морских бассейнов прошлых геологических эпох. Как видим, механизм проникновения морской воды в недра оказался совершенно не таким, как представлял себе А. Кирхер.

Разработка идеи геологического круговорота воды поднимает гидрогеологию на принципиально иной уровень. Собственно говоря, только с этого времени гидрогеология стала по настоящему геологической наукой, ибо ранее она являлась частью гидрологии и изучала подземную ветвь климатического (гидрологического) круговорота. С этого же времени она становится наукой о подземной гидросфере.

Другие типы воды, встречающиеся в районах активного вулканизма, горячие с выделением газов (гейзеры) издавна также интересовали исследователей. Однако только в начале XX в. (1902 г.) была предложена австрийским геологом Э. Зюссом (1831-1914 гг.) более или менее обоснованная гипотеза ювенилъных вод. Так он назвал воды, генерируемые в глубинах Земли из водорода и кислорода. Ювенильные, т.е. первозданные воды, в отличие от вадозных (мелких или поступающих с поверхности земли, экзогенных) выделяются из магмы при ее остывании, т.е. по своей природе являются эндогенными, и через нарушения или вулканы включаются в круговорот.

Концепция ювенильных вод также подверглась резкой критике. В частности, швейцарский геолог Л. Брун (1911 г.) обосновал положение о безводности вулканов, точнее он приписывал воде вулканического происхождения вторичный генезис, обусловленный ее захватом из вмещающих горных пород. Г. Гёфер (1925 г.) полагал, что ювенильна не вода, а только ее теплота. Многочисленные попытки исследователей отыскать ювенильную воду в природе пока не увенчались успехом. По последним данным В. И. Ферронского и В. А. Полякова, основанным на изотопных данных водорода и кислорода, доля ювенильной воды в вулканах не превышает 5%.

В отличие от ювенильной гипотезы все большее значение приобретает учение о возрожденных водах, развитое русским ученым А.М. Овчинниковым (1904-1969). Возрожденные воды образуются при метаморфизме осадочных или магматических горных пород из связанных вод, которые в условиях перекристаллизации породы переходят в свободные и включаются в геологический круговорот. Источником возрожденных вод являются воды конституционные, кристаллизационные, цеолитные, гигроскопические, пленочные, капиллярные и частично свободные тонких пор и капилляров.

В 30-е годы наиболее выдающиеся работы, без всякого сомнения, созданы одним из наиболее гениальных людей XX в. -- русским ученым В.И. Вернадским (1863-1945 гг.). Его труд "История природных вод", опубликованный в 1933-1936 гг. по широте и глубине охвата гидрогеологических проблем намного превосходит все когда-либо издававшиеся работы и занимает выдающееся место в науке в целом. В этой работе В.И. Вернадский наиболее полно показал значение подземных вод в геологической истории Земли. На основании большого количества эмпирических фактов он обосновал положение о единстве природных вод, что является крупнейшим вкладом в мировую науку. Он же первый обосновал принцип постоянства химического состава вод в определенную геологическую эпоху и создал целое новое направление в изучении природного равновесия: вода--горная порода--газы--живое вещество. В. И. Вернадский первый показал связь химического состава вод с развитием жизни на Земле и поэтому по праву считается основоположником особой отрасли знаний -- гидрогеохимии, которая изучает природные воды как подвижные системы, находящиеся в равновесии с другими составляющими земной коры.

Идеи В. И. Вернадского, хотя и получили широкое признание во всем мире, но они до сих пор осознаны не полностью и не все из них вошли в обиход повседневной научной работы. Его книга "История природных вод" -- современная энциклопедия по геологии воды признается важнейшим трудом, завершающим становление современной гидрогеологии. В СССР идеи В. И. Вернадского наиболее полно развивали крупные ученые Н.Н. Славянов, Б.Л. Личков, А.М. Овчинников, Н.И. Толстихин, Е.В. Пиннекер, А. И. Перелъман, И. К. Зайцев, Е.А. Басков, П.А. Удодов и многие другие.

3. Деление горных пород в гидрогеологии на водоносные и водоупорные горизонты

Горные породы, слагающие земную кору, а также условия их залегания чрезвычайно разнообразны. Горные породы подвергаются постоянному разрушению или выветриванию на поверхности. Разрушение или выветривание горных пород происходит под воздействием воды, ветра, льда, смены температур и других факторов.

В результате разрушения горных пород образуются и отлагаются на их же поверхности новые горные породы -- галечники, пески, суглинки, глины. Вторично образующиеся новые горные породы вследствие различных длительных геологических процессов изменяют свои строение и свойства (метаморфизируются): галечники превращаются в конгломераты, пески -- в песчаники, глины -- в сланцы, известняки -- в мраморы и т. д.

Водопроницаемыми и в большинстве случаев также водоносными являются горные породы, хорошо пропускающие (фильтрующие) воду: крупнозернистые пески, гравий, галечники, щебень, валуны, сильно трещиноватые скальные породы и т. п., т. е. породы, в которых имеется достаточное количество крупных пустот для проникновения и передвижения воды.

Водоупорными горными породами являются плотные тяжелые глины, плотные суглинки, а также сланцы, плотные песчаники и различные кристаллические породы при отсутствии у них трещиноватости.

При наличии трещиноватости сланцы и другие перечисленные породы становятся водопроницаемыми, так как создается возможность циркуляции воды по трещинам.

Пласты и слои водопроницаемых и водоупорных горных пород обычно чередуются. Формы и виды залегания отдельных слоев горных пород и их свит весьма разнообразны. Нередко различно изогнутые слои выходят на земную поверхность. Атмосферные осадки, выпадая на обнаженную поверхность этих слоев, просачиваются вглубь. Наиболее благоприятны для скопления воды на глубинах толщи слоев песчаных, гравийных, галечниковых или трещиноватых скальных горных пород -- известняков, сланцев, песчаников и др. Глины и кристаллические породы без трещин являются водоупорными; скопление в них воды, пригодной для практического использования, невозможно.

В верхних частях земной коры -- в песках и других рыхлых горных породах -- преобладают подземные воды. На значительных глубинах подземные воды встречаются преимущественно в трещиноватых скальных горных породах.

Водоносным горизонтом называется пласт водопроницаемой горной породы, заполненный (насыщенный) водой и способный отдавать эту воду (рис. 1).

Площади распространения водоносных горизонтов обычно совпадают с площадями распространения водоносных пород.

Рис. 1. Схема строения водоносного пласта: 1 -- верхний водоупорный пласт; 2 -- нижний водоупорный пласт; 3 -- водоносный пласт; 4 -- кровля водоносного пласта; 5 -- подошва водоносного пласта; h -- мощность водоносного пласта.

Площади питания водоносных горизонтов занимают значительно меньшие пространства в местах выхода пород, слагающих водоносный горизонт, на дневную поверхность, а также на тех участках, где эти породы не перекрыты водонепроницаемыми толщами значительной мощности.

Степень водопроницаемости рыхлых (обломочных) пород в значительной степени зависит от их механического состава и в частности от содержания мелких пылеватых и глинистых частиц. Для определения содержания в породе частиц различного размера необходим анализ ее механического состава. В соответствии с полученными данными анализа механического состава водоносной породы определяют размер частиц песчано-гравийной засыпки, выбирают шаг намотки проволоки, определяют номер сетки для фильтра и т. д.

4. Грунтовые воды, характерные признаки

Важную роль в строительных работах и инженерных изысканиях играют подземные воды. Подземными водами считаются воды, находящиеся в толще горных пород верхней части земной коры в жидком, твёрдом и газообразном состоянии. Они составляют часть гидросферы -- водной оболочки земного шара. Запасы пресной воды в недрах Земли составляют до 1/3 вод Мирового океана. В России известно порядка 3367 месторождений подземных вод, из них эксплуатируется менее 50 %. Иногда подземные воды вызывают оползни, заболачивание территорий, осадку грунта, они затрудняют ведение горных работ в шахтах, для уменьшения притока подземных вод проводят осушение месторождений и сооружают водоотливы.

По условиям залегания подземные воды подразделяются на:

- Верховодки;

- Грунтовые воды;

- Межпластовые подземные воды;

- Подземные воды в трещиноватых и закарстованных породах;

- Подземные воды вечной мерзлоты.

Особое внимание следует уделить грунтовым водам, т.к. они являются наиболее часто встречающимися видами подземных вод при строительстве.

Грунтовые воды - это постоянные во времени и значительные по площади распространения горизонты подземных вод, залегающие на первом от поверхности водоупоре. Следует отметить, что водоупорами принято называть непроницаемые породы, а водоносным горизонтом - водопроницаемые. Грунтовые воды характеризуются рядом признаков:

Грунтовые воды имеют свободную поверхность, т.е. сверху они не перекрыты водоупорными слоями. Свободная поверхность грунтовых вод называется зеркалом (в разрезе уровень). Положение зеркала в какой-то мере отвечает рельефу данной местности. Глубина залегания уровня от поверхности различна - от 1 до 50 м и более. Положение уровня по ряду причин непостоянно. Водоупор, на котором лежит водоносный слой, называется ложем, а расстояние до уровня подземных вод - мощностью водоносного слоя. Мощность горизонта непостоянна и зависит от свойств водосодержащих пород, расстояния до области разгрузки, интенсивности питания и т.д. карта гидроизогипс грунтовая вода

Грунтовые воды в силу наличия свободной поверхности безнапорны. Иногда они могут проявить так называемый местный напор, связанный с залеганием линзы глины в уровне зеркала.

Питание грунтовых вод происходит главным образом за счет атмосферных осадков, а также поступления воды из поверхностных рек и водоемов, т.е. за счет инфильтрации. Область питания грунтовых вод в большинстве случаев совпадает с областью распространения водоносного горизонта. Из-за способа происхождения (инфильтрации) грунтовая вода изменяет свой состав во времени и часто загрязняется различными вредными примесями.

Грунтовые воды находятся в непрерывном движении и, как правило, образуют потоки, которые направлены в сторону общего уклона водоупора. Иногда их залегание имеет форму грунтовых бассейнов, т.е. вода находится в неподвижном состоянии. Грунтовые потоки нередко выходят на поверхность, образуя родники или создавая локальную по площади заболоченность. Количество, качество и глубина залегания грунтовых вод зависят от метеорологических условий (атмосферных осадков, испарений, температуры, атмосферного давления и т.д.), гидравлических условий (изменений режима поверхностных водоёмов, питающих или дренирующих подземных вод), хозяйственной деятельности человека (строительства гидротехнических и гидромелиоративных сооружений, откачки нефти из недр, добычи полезных ископаемых, удобрения сельскохозяйственных земель, промстоков и др.). Зеркало грунтовых вод в целом в какой-то мере копирует рельеф земной поверхности в пределах их расположения.

5. Свойства грунтовых вод

В условиях влажного климата развиваются интенсивные процессы инфильтрации и подземного стока, сопровождаемые выщелачиванием почв и горных пород. При этом легко растворимые соли -- хлориды и сульфаты -- выносятся из пород и почв. В результате длительного водообмена формируются пресные грунтовые воды, минерализованные лишь за счёт относительно мало растворимых солей (преимущественно гидрокарбонатов кальция). В условиях засушливого тёплого климата (в сухих степях, полупустынях и пустынях) вследствие кратковременности выпадения и малого количества атмосферных осадков, а также слабой дренированности местности подземный сток грунтовых вод не развивается. В расходной части баланса грунтовых вод преобладает испарение и происходит их засоление. Вблизи рек, водоемов, водохранилищ и т. п. грунтовые воды в значительной степени опреснены и по качеству могу удовлетворять нормам питьевой воды.

Минерализация - сумма всех минеральных веществ, растворённых в воде, выраженная в граммах абсолютно сухого остатка, полученного выпариванием 1 литра воды. Классификация вод по степени минерализации:

- Пресные - до 1 г/л. Преобладающий химический тип вод: гидрокарбонатные кальциевые.

- Слабосолоноватые - 1-3 г/л. Сульфатные, реже хлоридные.

- Солоноватые - 3-10 г/л. Сульфатные, реже хлоридные.

- Солёные - 10-15 г/л. Сульфатные, хлоридные.

- Рассолы - больше 50 г/л. Хлоридно-натриевые.

Жёсткость воды обусловлена присутствием в воде ионов кальция и магния. Различают общую жёсткость (сумма мг.экв. ионов Ca и Mg в литре воды), карбонатную (величина рассчитывается по количеству гидрокарбонатных и карбонатных ионов) и некарбонатную (жёсткость общая за вычетом жёсткости карбонатной). По общей жёсткости воды подразделяются на 5 типов:

- очень мягкая: <1,5 мг. экв./л,

- мягкая: 1,5 - 3 мг, экв./л,

- умеренно жёсткая: 3-6 мг. экв./л,

- жёсткая: 6-9 мг. экв./л,

- очень жёсткая: >9 мг. экв./л.

Вблизи свалок, скотомогильников, различного рода химических, радиоактивных захоронений грунтовые воды заражены. Грунтовые воды являются показателем чистоты почв, местности.

Грунтовые воды оказывают разрушающее влияние на бетон и другие строительные материалы.

При возведении сооружений грунтовые воды исследуют на агрессивность. Различают агрессивность:

- Общекислотная. Водородный показатель воды меньше 6. Повышается растворимость карбоната кальция. В зависимости от марки цемента и значений pH агрессивность воды различна: при pH<4 наибольшая, при pH - 6,5 - наименьшая.

- Выщелачивающая. Вода содержит более 0.4-1,5 мг.экв. гидрокарбоната. Проявляется в растворении карбоната кальция и выносе из бетона гидроксида кальция. Степень агрессивности воды определяется растворимостью карбоната кальция. Вынос гидроксида кальция увеличивается в присутствии хлорида магния, который вступает в обменную реакцию с гидроксидом кальция, образуя хорошо растворимый хлорид кальция.

- Магнезиальная. Вода содержит более 750 мг/л Mg двухвалентного. Предел допустимой концентрации ионов магния зависит от марки цемента, условий, конструкции сооружения, содержания сульфатных ионов и изменяется в широких пределах: от 1,0 до 2,5 %.

- Сульфатная. Вода содержит свыше 250 мг/л сульфатных ионов. Присутствующие в воде в больших концентрациях сульфатные ионы, проникая в бетон, при кристаллизации образуют кристаллогидрат сульфата кальция, являющийся причиной вспучивания и разрушения бетона.

- Углекислотная. Вода содержит свыше 3-4 мг/л углекислоты. Растворение карбоната кальция под воздействием растворённого диоксида углерода с образованием легкорастворимого гидрокарбоната кальция провоцирует процесс разрушения бетона.

Вязкость воды характеризует внутренне сопротивление частиц её движению. С повышением температуры вязкость грунтовых вод уменьшается.

Плотность воды - масса воды, находящаяся в единице её объёма. Максимальна при температуре в 4°С. При повышении температуры до 250°С плотность воды уменьшается до 0,799 г/см3, а при увеличении количества растворённых в ней солей повышается до 1,4 г/см3.

Коэффициент сжимаемости - коэффициент сжимаемости грунтовой воды, показывающий, на какую долю первоначального объёма жидкости уменьшится объём при увеличении давления на 105 Па, т.е. вода в некоторой степени обладает упругими свойствами.

Электропроводность грунтовых вод зависит от количества растворённых в них солей и выражается величинами удельных сопротивлений от 0,02 до 1,00 Ом*м.

Радиоактивность грунтовых вод вызвана присутствием в них радиоактивных элементов (урана, стронция, цезия, радия, газообразной эманации радия-радона и др.). Даже ничтожно малые концентрации ? сотые и тысячные доли (мг/л) некоторых радиоактивных элементов ? могут быть вредными для человека.

Общая минерализация ? суммарное содержание растворённых в воде минеральных веществ. О её величине судят по сухому или плотному остатку (в мг/л или г/л), который получается после выпаривания определенного объёма воды при температуре 105-110°С. Между общей минерализацией грунтовых вод и их химическим составом существует определённая зависимость.

В грунтовых водах присутствует несколько десятков химических элементов периодической таблицы Менделеева. До 90% всех растворённых в водах солей ионы Cl-, SO2-4, HCO-3, Na+, Mg2+, Ca2+, K+. Железо, нитриты, нитраты, водород, бром, йод, фтор, бор, радиоактивные и другие элементы содержатся в воде в меньших количествах. Однако даже в небольших количествах они могут оказывать существенное влияние на оценку пригодности грунтовых вод для различных целей. Наилучшими питьевыми качествами обладают воды при рН = 6,5 - 8,5.

Количество растворённых солей не должно превышать 1,0 г/л. Не допускается содержание вредных для здоровья человека химических элементов (уран, мышьяк и т.д.) и болезнетворных бактерий. Последнее в известней мере может быть нейтрализовано обработкой воды ультразвуком, хлорированием и кипячением. Органические примеси устанавливаются бактериологическим анализом.

Жёсткость воды - это свойство, обусловленное содержанием ионов кальция и магния, т.е. связанная с карбонатами, и вычисляется расчётным путём по общему содержанию в воде гидрокарбонатных и карбонатных ионов. Жёсткая вода даёт большую накипь в паровых котлах, плохо мылится и т.д. В настоящее время жёсткость принято выражать количеством миллиграмм-эквивалентов кальция и магния, 1 мг экв жёсткости соответствует содержанию в 1 л воды 20,04 мг иона кальция или 12,6 мг иона магния. По жёсткости воду разделяют на:

1. Мягкая, менее 3 мг экв;

2. Средняя жёсткость, 3-6 мг экв;

3. Жёсткая, 6-9 мг экв;

4. Очень жёсткая, более 9 мг экв.

3. Площадное распределение грунтовых вод

Грунтовые воды имеют практически повсеместное распространение. В площадном распределении грунтовых вод имеется определённая зональность. Выделяют 4 основные зоны:

1. Грунтовые воды речных долин. Глубина залегание изменяется от 1 см до 10-15 м. Вода залегает в аллювиальных отложениях, слабо минерализована, широко используется для водоснабжения.

2. Грунтовые воды ледниковых отложений. На европейской территории России ледниковые отложения представлены разнообразными обломочными породами, среди которых много водоносных слоёв. Вода обильная, слабо минерализованная, широко используется для водоснабжения.

3. Грунтовые воды полупустынь и пустынь. Этой районы с малым количеством атмосферных осадков (до 200 мм в год) и значительным испарением. Воды обычно мало, залегает она глубоко и имеет высокую степень минерализации.

4. Грунтовые воды горных областей. В этих районах выпадает много атмосферных осадков, часть которых проникает в выветрелые и трещиноватые породы. Наибольшее количество грунтовых вод хорошего качества скапливается в отложениях предгорных наклонных равнин. Эта вода широко используется для водоснабжения.

Среди зональных грунтовых вод располагаются незональные, такие как болотные, карстовые и т.д. Большими скоплениями атмосферных осадков, паводковых и других вод являются болота. Уровень грунтовых вод в болотах всегда совпадает с поверхностью земли, что собственно и обуславливает заболоченность местности.

6.Карты гидроизогипс

Для выявления характера поверхности (зеркала) грунтовых вод составляют карты гидроизогипс. Гидроизогипсы - линии, соединяющие точки с одинаковыми абсолютными или относительными отметками уровней грунтовых вод. Эти линии аналогичны горизонталям рельефа местности и подобно им отражают рельеф зеркала вод. Карты гидроизогипс необходимы при решении задач, связанных с проектированием водозаборов подземных вод, борьбой с подтоплением территории и др. Для построения карты гидроизогипс замеряют уровни грунтовых вод в скважинах, расположенных обычно по сетке. Замеры уровней воды должны быть единовременными. Абсолютные отметки уровня подземных вод hв в скважинах определяют по формуле: hв = hп.з. ? h, где hп.з. ? абсолютная отметка поверхности земли; h - глубина залегания подземных вод от поверхности земли [м]. Полученные абсолютные отметки надписывают над каждой скважиной и затем методом интерполяции строят гидроизогипсы. Сечение гидроизогипс (частоту их заложения) выбирают в зависимости от масштаба карты и густоты расположения точек замера от 0,5 до 10,0 м, чаще 0,5; 1,0 и 2,0 м.

С помощью карты гидроизогипс, совмещенной с топографической картой, можно выяснить направление и узнать скорость движения грунтового потока в любой точке, а также можно определить глубину залегания грунтовых вод (по разности отметок горизонталей и гидроизогипс).

Карта гидроизогипс позволяет установить характер связи грунтовых вод с поверхностными водами (реки, каналы, водохранилища). Эти воды могут питать грунтовые воды или, наоборот, подземные воды являются источниками этих водоёмов. Следует учитывать этот факт при определении водопритоков к водозаборам.

7.Защита зданий от грунтовых вод

Мероприятия по защите здания от грунтовой воды выбираются в зависимости от уровня грунтовых вод в районе постройки. Как ведёт себя фундамент в зависимости от помещения и влияния грунтовых вод.

Если здание не имеет подвала или если расчетный уровень грунтовых вод расположен ниже пола подвала, достаточно изолировать стены подвала от влаги, находящейся в грунте, и воспрепятствовать поднятию ее по стенам. Эти мероприятия называются изоляцией от капиллярной влаги. Если уровень грунтовых вод расположен выше уровня пола подвала, то наиболее целесообразно устроить дренаж, позволяющий снизить уровень грунтовой воды ниже отметки пола. Такой отвод грунтовых вод, а точнее, устройство дренажа, возможно при наличии водоемов или коллекторов сточных вод, в которые можно сбросить воду, отводимую от здания. Если дренаж невозможен, то подвал может быть защищен от затопления водой при помощи специальной гидроизоляции. Схема изоляции зданий от капиллярной сырости зависит от наличия в нем подвальных помещений или их отсутствии.

7.1 Отвод грунтовых вод в бесподвальных зданиях

Фундамент и грунтовые воды могут сойтись и в бесподвальных зданиях. В таких случаях лучшим отводом грунтовых вод будет изоляция, т.е. эти здания изолируются от грунтовой сырости бетонной подготовкой пола и изоляцией, прокладываемой в цоколе на 1,5-2 см выше уровня тротуаров и на 1,0-1,5 см ниже деревянных конструкций пола. Изоляционный слой и бетонная подготовка должны быть в непрерывной связи; если изоляция выполняется выше подготовки, связь достигается двойным слоем битума на внутренней поверхности цоколя. Изоляция состоит из слоя асфальта толщиной в 1,2 см или из слоя цементного раствора 1:1,5 (с гидрозитом, церезитом) толщиной в 1,5 см; или укладываются два слоя рубероида, склеенных битумной массой. Если высота цоколя более 60 см, то изоляция прокладывается в двух сечениях: на 15-20 см выше тротуара и на 10-15 см ниже деревянных конструкций пола; кроме того, промазывается горячим битумом в два слоя внутренняя поверхность стены, соприкасающаяся с грунтом между изоляцией и бетонной подготовкой.

7.2 Отвод грунтовых вод в зданиях с подвалами

В зданиях с подвалами фундамент и грунтовые воды тоже заслуживают внимания, потому что их взаимодействие, а точнее влияние грунтовых вод, может существенно повлиять на состояние фундамента. Изоляция от капиллярной сырости выполняется на уровне пола подвала, второй слой на 15-20 см выше поверхности тротуара. Поверхность стены подвала защищается от капиллярной влаги двойной обмазкой горячим битумом или смолой по штукатурке, смешанным раствором 1:0,5:5 (цементным раствором 1:3) с добавкой гидрозита. Обмазка производится после подсушки штукатурки. Изоляция зданий от напорной воды выполняется путем устройства дренажа в какой-либо водоприемник; не исключается устройство непрерывной водонепроницаемой оболочки подвала снаружи стен и пола подвала.

При небольших напорах грунтовой воды от 0,1 до 0,2 м в котлован, свободный от грунтовой воды, укладывается слой мятой глины толщиной 25 см, выше бетонной подготовки на 10-15 см и производится смазка цементным раствором 1:3 с гидрозитом. Поверх смазки делается цементный или асфальтовый пол. Наружная поверхность после промазки (в раствор добавляется жидкое стекло) штукатурится на 50 см выше уровня грунтовой воды цементным раствором с гидрозитом двумя слоями по 1,5 см каждый. За оштукатуренную стену набивается мятая жирная глина слоями по 25 см до уровня на 20-25 см ниже гидроизоляционного слоя стены. Напор грунтовой воды погашается весом бетонной подготовки. Непрерывность изоляции пола и стены в песчаных грунтах достигается устройством пола подвала после возведения стен. В глинистых (связных) грунтах осадка может длиться продолжительное время, а поэтому для непрерывности изоляции устраивается замок из битума с паклей.

При напоре грунтовой воды от 0,2 до 0,8м требуется дополнительная загрузка конструкции пола тяжелым бетоном с объемным весом 2200 кг/м3. Это дает толщину загрузки вдвое меньше превышения уровня грунтовой воды над полом подвала. Гидроизоляция пола и стен при напорах от 0,8 до 2м устраивается по предыдущему; количество слоев рулонной изоляции увеличивается до трех; при больших напорах изоляция четырехслойная.

При напоре грунтовой воды более 1,25м железобетонная плита усиливается стальными или железобетонными балками. Фундамент и грунтовые воды связаны, но не всегда, поэтому если правильно выбрать площадку, земельный участок для строительства, для закладки фундамента, то особых проблем со стойкостью фундамента, а в будущем и всего дома проблем не будет.

7.3 Дренаж

Рассмотрим наиболее популярный метод защиты зданий и сооружений от грунтовых вод - дренаж.

Дренаж -- метод сбора и отвода грунтовых вод от участка и сооружений с помощью системы дренажных труб, скважин, каналов, подземных галерей и других устройств.

Дренаж применяется с целью защиты от проникновения воды в сооружения, сохранения и упрочнения оснований здания, снижения фильтрационного давления на конструкцию. Также дренаж необходим для поддержания площадок и дорог участка в сухом состоянии, предотвращения загнивания корневой системы высаженных растений, защиты фундамента и подвальных помещений от избыточной влаги. Локальные дренажные системы применяются в тех случаях, когда общее понижение уровня грунтовых вод на территории застройки не может дать необходимого эффекта или экономически не оправдано. Для устройства дренажа разрабатывается проект дренажной системы. В соответствии с ним определяется место расположения дрен, глубина их залегания, уклоны, устройство каналов, подбор комплектующих изделий и материалов. В зависимости от уровня залегания грунтовых вод, приводящих к увлажнению территории, может быть выполнен дренаж поверхности участка (поверхностный дренаж) или глубинный дренаж. Основные виды дренажа:

1. Пластовый дренаж. Пластовая дренажная система укладывается в основании защищаемого сооружения непосредственно на водоносный грунт. При этом она гидравлически связана с трубчатой дреной (подземный искусственный водоток для сбора и отвода грунтовых вод), расположенной с наружной стороны фундамента на расстоянии не менее 0,7 метра от плоскости стены здания. Пластовая дренажная система защищает сооружение как от подтопления грунтовыми водами, так и от увлажнения капиллярной влагой. Пластовый дренаж широко применяется при строительстве подземных сооружений, возводимых на слабопроницаемых грунтах, а также при дренировании «горячих» цехов трасс теплосети и дымоходов (попадание влаги в которые, даже в капиллярном виде, недопустимо).

2. Пристенный дренаж. Пристенная дренажная система состоит из дренажных труб (с фильтрующей обсыпкой), уложенных на водоупорный грунт с наружной стороны сооружения. Пристенный дренаж применяется, как правило, в тех случаях, когда основание сооружения находится на водоупорном грунте.

3. Кольцевой дренаж. Кольцевая дренажная система располагается по контуру защищаемого здания или участка. Действие кольцевого дренажа основано на понижении уровня грунтовых вод внутри защищаемого контура, что обеспечивает защиту от подтопления подземных сооружений и частей зданий. Глубина этого понижения зависит от заглубления труб, галерей или фильтрующей части скважин относительно зеркала грунтовых вод, а также от размеров защищаемого контура. Кольцевые дрены располагаются на некотором удалении от сооружения, благодаря этому они могут быть установлены уже после его возведения. В этом отношении кольцевой дренаж выгодно отличается от пластового, который может быть установлен только одновременно со строительством сооружения.

Типы дренажа по конструктивным особенностям:

1. Горизонтальный дренаж. Горизонтальный дренаж представляет собой систему трубчатых или галерейных дрен, канав и лотков. Трубчатые дрены -- сочетание дренажных труб с одним или несколькими слоями фильтрующей обсыпки. Эти слои устраиваются для того, чтобы избежать заклинивания труб частицами осушаемого грунта. Для надзора за трубчатыми дренами сооружаются смотровые колодцы. Галерейные дрены -- это трубы с большим поперечным сечением с отверстиями для приема воды и обсыпкой. Канавы применяют, главным образом, в небольших поселках, где допустимо поддерживать уровень грунтовых вод на глубине до 1,5 метра. В устойчивых грунтах канавы выполняются, как правило, в виде траншей с откосами, а в неустойчивых -- конструкций из сборного железобетона.

2. Вертикальный дренаж. Вертикальный дренаж -- система скважин, объединенных коллектором, через который вода откачивается насосным агрегатом или отдельным насосом на каждой скважине.

3. Комбинированный дренаж. Комбинированный дренаж -- сочетание дрены и ряда самоизливающихся скважин.

Грунтовые воды -- гравитационные воды первого от поверхности земли постоянно существующего водоносного горизонта, расположенного на первом водоупорном слое. Имеют свободную водную поверхность и обычно над ней отсутствует сплошная кровля из водонепроницаемых пород. Грунтовые воды заключены в рыхлых и в слабосцементированных породах, заполняют трещины в магматических, метаморфических или осадочных сцементированных породах, залегают в четвертичных отложениях.

Грунтовые воды формируются за счёт инфильтрации атмосферных осадков и поверхностных вод. Область питания грунтовых вод обычно совпадает с областью распространения водоносного горизонта. Мощность горизонта непостоянна и зависит от свойств водосодержащих пород, расстояния до области разгрузки, интенсивности питания и т.д.

Наиболее существенное влияние на режим грунтовых вод оказывают:

- метеорологические условия (атмосферные осадки, испарения, температура, атмосферное давление и т.д.),

- гидравлические условия (изменение режима поверхностных водоёмов),

- хозяйственная деятельность человека (строительство гидротехнических и гидромелиоративных сооружений, откачка поды и нефти из недр, добыча полезных ископаемых, удобрение сельскохозяйственных земель, и др.).

Грунтовые воды оказывают разрушающее влияние на бетон и другие строительные материалы.

Грунтовые воды в силу относительно лёгкой доступности имеют большое значение для народного хозяйства как источники водоснабжения промышленных предприятий, городов, посёлков, населенных пунктов в сельской местности и т. д..

Для добычи грунтовых вод делают колодцы, скважины с гравийной отсыпкой в сочетании с фильтрами из сетки галунного плетения.

Вблизи свалок, скотомогильников, различного рода химических, радиоактивных захоронений грунтовые воды заражены. Грунтовые воды являются показателем чистоты почв, местности.

8. Экологические проблемы связанные с изучением грунтовых вод

Несмотря на то, что воды, залегающие под землей, существенно лучше защищены от различных загрязнений, чем поверхностные воды, наблюдается их загрязнение. Официальные данные за 1999 год, приведенные госэпидемнадзором, свидетельствуют о наличии порядка 1800 очагов загрязнения вод, залегающих под землей. Около 78% таких очагов располагается на территории западной части Российской Федерации. На основании исследований, проведенных экспертами, установлено, что в 1999 расход вод с загрязнениями составил около 5-6% от их общего числа. К сожалению, эта цифра растет из года в год. Особенно остро эта проблема возникает при попадании загрязненной воды в системы питьевого водоснабжения.

Работы по очистке воды основаны на использовании разнообразных способов. Минимизировать содержание железа, можно используя один из доступных способов, основанных на аэрации воды и её обработке различными окислителями, например азоном, хлором или перманганатом. Довольно эффективным является использование фильтрации за счет включения специальных фильтрующих элементов.

Экология и санитарно-гигиенические особенности подземных вод Московской области.

В начале загрязняются водоносные слои, лежащие над уровнем водоупорных пород. В густонаселенной местности могут быть загрязнены и нижерасположенные водоносные слои вследствие интенсивной откачки. Загрязнение нижних слоев водами вышерасположенных горизонтов вызвано образованием «воронок». На территории Москвы и окружающей территории обнаружена такая воронка. В этом регионе можно выделить 5 основных уровней залегания подземных вод:

1. грунтовые воды;

2. межморенный полунапорный водоносный горизонт;

3. надъюрский напорный горизонт;

4. среднекарбоновый напорный горизонт;

5. нижнекарбоновый напорный горизонт.

Первый, второй и третий уровни расположены выше, чем верхний водоупорный горизонт, который на данной территории находится на глубине от 1-3 до 70 метров. Грунтовые воды не обладают сильным напором и залегают на резко изменяющейся глубине. Их мощность может изменяться в довольно широких пределах. Два водоносных слоя располагаются ниже грунтовых вод: надъюрский напорный и межморенный полунапорный водоносный горизонты. При этом они гидравлически связаны с грунтовыми водами.

Поступление воды во все три перечисленные горизонта обусловлено выпадением атмосферных осадков, а также за счет поверхностного слоя. Основная часть воды поступает в весеннее время. Появление грунтовых вод на поверхности наблюдается в долинах малых рек и ручьев. Просачивание вод межморенного полунапорного горизонта происходит сквозь новые и древние песчаные отложения в районах речных пойм. Поступление вод надъюрского водоносного горизонта происходит по восходящим источникам, которые находятся в руслах рек.

Нижнекарбоновый и среднекарбоновый водоносные горизонты находятся в доломитовых и известняковых отложениях каменноугольного периода, расположенного на глубине порядка около 100 метров. Для этих горизонтов свойственна существенная мощность, а также относительная гидравлическая обособленность, отличающие их от остальных водоносных горизонтов. Именно такие воды выступают в роли основного источника водоснабжения поселков и городов Московской области.

Химические особенности подземных вод

- высокая минерализаций (концентрация солей до 20 мг/л);

- повышенная щелочность и жесткость, которые обусловлены значительной концентрацией гидрокарбонатов и солей магния и кальция;

- в ряде случаев возможно повышенная концентрация марганца, железа и различных соединений фтора.

Указанные химические особенности подземных вод объясняются составом горных пород, типом питания, а также уровнем изоляции от сточных поверхностных вод и вод других горизонтов. Для Московской области характерны воды, относящиеся к гидрокарбонатно-кальциево-магниваемому типу с незначительной концентрацией хлоридов и сульфатов. Инфильтрация атмосферных осадков сквозь почву занимает основную позицию в формировании солевого состава этих вод. В результате воздействия загрязненного поверхностного стока в некоторых случаях отмечено увеличенная концентрация свинца, кадмия, мышьяка, алюминия, хрома, никеля, ванадия, а также кобальта. Превышение ПДК по некоторым из указанным параметров наблюдается в скважинах, расположенных неподалеку от пос. Щербинка, г. Волоколамска и других районов с крупными промышленными объектами. На территориях с развитой сельскохозяйственной деятельностью в грунтовых водах выявлены фосфорорганические пестициды и превышенная концентрация различных биогенных элементов, одним из примеров которых может служить аммонийный азот. Это наблюдается на территориях Можайского, Истринского районов и вблизи Звенигорода.

В качестве причины загрязнения подземных вод может выступать как инфильтрация различных веществ через горизонты почвы, так и нарушение эксплуатационных норм водозаборных сооружений и недостаточным контролем зон санитарной охраны. Подавляющее количество случаев заражения грунтовых вод различными бактериями возникает именно вследствие последних причин.

Воды таких горизонтов как межморенный полунапорный и надъюрский напорный по своему химическому составу незначительно разнятся с грунтовыми водами. Это обусловлено тем, что между ними имеется гидравлическая связь. Степень загрязнения таких горизонтов снижается с увеличением глубины. Воды нижнекарбонового и среднекарбонового напорных горизонтов, расположенные на наибольшей глубине, обладают большим уровнем минерализации по сравнению с грунтовыми. Независимо от расположения их относят к гидрокарбонатно-кальциево-магниевому типу с незначительной примесью сульфатов и хлоридов. Но в некоторых областях возможно преобладание сульфатов в солевом составе воды.

Присутствие в горных породах таких минералов как целестин и стронцит служит причиной повышенной концентрации стронция (от 2 до 5 мг/л). Степень его содержания увеличивается с возрастанием глубины скважины. Повышение содержания соединений фтора характерно для вод среднего карбона. Результаты анализа скважин Рузского и Можайского районов свидетельствуют о наличии превышения ПДК по содержанию фтора (1,2 мг/л).

Санитарно-гигиенические особенности грунтовых вод, а также методики их очистки

Для грунтовых вод Московской области характерна увеличенная степень жесткости. Это объясняется содержанием ионов магния и кальция. Что касается карбонатной жесткости, то она находится в прямой зависимости от концентрации карбонатов и гидрокарбонатов таких элементов. Среднее значение жесткости для вод указанной территории составляет порядка 4,2-5,7 мг-экв./л, нормативное значение 8 мг-экв./л. Нормальным значением жесткости воды, при котором не возникает никаких серьезных проблем, является 2,5-3 мг-экв./л.

Для снижения жесткости широкое применение получили методики, основанные на ионном обмене. Сущность таких способов состоит в способности определенных веществ замещать ионы негативных элементов на безопасные ионы (водорода, натрия и т.д.) в процессе взаимодействия с водой. Чаще всего для очистки воды применяются специализированные фильтры, состоящие из полимерных ионообменных материалов. Высокая эффективность их функционирования зависит от ионообменной емкости элементов фильтра. Она определяется режимом эксплуатации, а также скоростью фильтрации.

Важной проблемой, возникающей в процессе использования грунтовых вод Московской области для водоснабжения, является увеличенная концентрация марганца и железа. Нормативное содержание этих элементов составляет 0,1 и 0,3 мг/л. Они не вызывают значительного токсического эффекта, но очень важны в отношении санитарно-гигиенических норм. Концентрация железа и марганца играет важнейшую роль при развитии различных железобактерий. Эти микроорганизмы размещены как на металлоконструкциях, так и на поверхностях труб. Они являются источниками ферментов, которые окисляют железо. При этом возрастает скорость протекания коррозионных реакций и в воду попадают нерастворимые элементы окисления. Вода становится мутной и меняет свою окраску.

Чтобы очистить воду от повышенного содержания железа было разработано множество разнообразных способов. Наибольшее использование получили методы, основанные на аэрации воды и обработке воды окислителями (озон, хлор, перманганат). Также эффективным является применение методик с использованием ионообменных фильтров.

На определенных территориях Московской области грунтовые воды имеют увеличенную концентрацию фтора, который является важным элементов для организма человека и занимает важнейшее место в процессе формирования эмали зубов. Однако повышенная концентрация фтора вызывает повреждение костных тканей (флюроз).

С целью снижения повышенного содержания фтора применяют фильтрацию сквозь сорбенты, в качестве которых используются оксиды и гидрооксиды магния и алюминия, основные соли алюминия, а также фосфаты кальция. Наблюдающаяся тенденция увеличения количества случаев загрязнения грунтовых вод подтверждает актуальность проблемы очистки воды от различного рода загрязнений, особенно от пестицидов. Загрязнения такого рода характеризуются высокой степенью токсичности, которая оказывает негативное воздействие на организм человека. В связи этим попадание таких элементов в питьевую воду нежелательно. В таких случаях для очистки используется обработка воды такими окислителями как озон, перманганат или хлор. Также высокоэффективным является сорбция на фильтрах, которые содержат активированный уголь. Аэрация является наиболее экономичным методов очистки от органических соединений.

9. Артезианские воды: область питания, распространения, разгрузки (техногенная и природная)

Артезианскими называют напорные подземные воды, находящиеся в водопроницаемых (пористых, трещиноватых, закарстованных) пластах, перекрытых и подстилаемых водонепроницаемыми породами. Эти воды всюду залегают ниже грунтовых вод и образуют артезианские бассейны.

Артезианские воды имеют весьма большое значение для народного хозяйства; они широко используются для целей водоснабжения городов, сельского хозяйства, населенных пунктов и промышленных предприятий, в то же время, как и всякие подземные воды, они создают проблемы при строительных работах.

Актуальность работы обусловлена увеличением объёмов как надземного, так и подземного строительства во всех крупнейших городах России, и необходимостью в тщательных исследованиях, предшествующих этому строительству. Одним из важнейших аспектов строительства является выявление наличия подземных вод.

...