Характеристика типов подземных вод

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Министерство образования и науки Российской Федерации

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Владимирский государственный университет

имени А.Г. и Н.Г. Столетовых»

Реферат по теоретическому курсу « Инженерная геология »

на тему: « Характеристика типов подземных вод »

Выполнил: ст. гр. ЗСвд -115 Елисеев С. Ю.

Принял: Ольховик Ю. В.

Владимир 2017

Введение

Гидрогеология (от гидро - вода и геология) наука о подземных водах, изучающая их состав и свойства, происхождение, закономерности распространения и движения, а также взаимодействие с горными породами.

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 2000о С 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.

Накопление знаний о подземных водах, начавшееся с древнейших времен, ускорилось с появлением городов и поливного земледелия. Искусство сооружения копаных колодцев до несколько десятков метров было известно за 2000-3000 тысячи лет до н.э. в Египте, Средней Азии, Индии, Китае. В этот же период появилось и лечение минеральными водами. В первом тысячелетии до нашей эры появились первые представления о свойствах и происхождении природных вод, условиях их накопления и круговороте воды на Земле (в работах Фалеса и Аристотеля - в Древней Греции; Тита Лукреция Кара и Витрувий - в Древнем Риме, и др.). Изучению подземных вод способствовало расширение работ, связанных с водоснабжением, строительством каптажных сооружений (например, кяризов у народов Кавказа, Ср. Азии), добычей соленых вод для выпаривания соли путем копания колодцев, а затем и бурения (территория России, 12-17 века). Возникли понятия о водах ненапорных, напорных (поднимающихся снизу вверх) и самоизливающихся. Последние получили в 12 веке название артезианских - от провинции Артуа (древнее название "Артезия") во Франции.

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.

Общая гидрогеология изучает происхождение подземных вод, их физические и химические свойства, взаимодействие с вмещающими горными породами. Изучение подземных вод в связи с историей тектонических движений, процессов осадконакопления и дианогенеза позволило подойти к истории их формирования и способствовало появлению в 20 веке новой отрасли гидрогеологии - палеогидрогеологии (учение о подземных водах прошлых геологических эпох).

Динамика подземных вод изучает движение подземных вод пол влиянием естественных и искусственных факторов, разрабатывает методы количественной оценки производительности эксплуатационных скважин и запасов подземных вод.

Учение о режиме и балансе подземных вод рассматривает изменения в подземных водах (их уровне, температуре, химическом составе, условиях питания и движения), которые происходят под воздействием различных природных факторов (атмосферных осадков, и условиях их инфильтрации, испарения, температуры и влажности воздуха и почвенного слоя, влияния режимов поверхностных водоемов, рек, техногенной деятельности человека). Во второй половине 20 века начали разрабатываться методы прогноза режима подземных вод, что имеет важное практическое значение при эксплуатации подземных вод, гидротехническом строительстве, орошаемом земледелии и решении других вопросов.

Из 510 миллионов квадратных километров площади земного шара 361 млн. кв. км (70,7 %) занимают моря и океаны, образуя единый Мировой океан, остальные 149 (29,3 %) млн. кв. км занимает суша. В северном полушарии на долю суши приходится 39,3 % площади полушария, в южном - 19,1 %. Об удельном весе элементов влагооборота и их влиянии на общий оборот воды в природе можно судить по данным, приводимым ниже:

Таблица 1.

Под влиянием солнечной энергии с поверхности Мирового океана испаряется в среднем около 450,0 тыс. км3 воды. Некоторая часть этой влаги в виде пара переносится воздушными течениями на материки. При определенных условиях водяные пары конденсируются и выпадают в виде дождя, снега, града и т.п. Выпавшие на сушу атмосферные осадки стекают по склонам местности, образуя ручьи и реки, которые несут свои воды вновь в Мировой океан.

Часть выпавших осадков испаряется, часть просачивается в землю, образуя подземные воды, которые подземным стоком поступают в ручьи и реки и, таким образом, также возвращаются в океан. Этот замкнутый процесс обмена между атмосферой и земной поверхностью называется круговоротом воды в природе.

Таким образом, водность рек, используемых в народном хозяйстве в качестве источников воды, тесно связана с влагооборотом Земли и зависит от распределения воды между отдельными элементами круговорота воды в природе.

Происхождение подземных вод

Подземные воды формируются в основном из вод атмосферных осадков, выпадающих на земную поверхность и просачивающихся (инфильтрующих) в землю на некоторую глубину, и из вод из 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.

Классификация подземных вод

Подземные воды весьма разнообразны по химическому составу, температуре, происхождению, назначению и т. д. По общему содержанию растворенных солей они делятся на четыре группы: пресные, солоноватые, соленые и рассолы. Пресные воды содержат менее 1 г/л растворенных солей; солоноватые воды - от 1 до 10 г/л; соленые - от 10 до 50 г/л; рассолы - более 50 г/л.

По химическому составу растворенных солей подземные воды делятся на гидрокарбонатные, сульфатные, хлоридные и сложного состава (сульфатные гидрокарбонатные, хлоридные гидрокарбонатные и т.д.).

Воды, имеющие лечебное значение, называются минеральными. Минеральные воды выходят на поверхность в виде источников или выводятся на поверхность искусственно с помощью буровых скважин. По химическому составу, газоносности и температуре минеральные воды делят на углекислые, сероводородные, радиоактивные и термальные.

Углекислые воды широко распространены на Кавказе, Памире, в Забайкалье, на Камчатке. Содержание углекислого газа в углекислых водах колеблется от 500 до 3500 мг/л и более. Газ присутствует в воде в растворенном виде.

Сероводородные воды также распространены довольно широко и связаны в основном с осадочными породами. Общее содержание сероводорода в воде обычно невелико, однако лечебное действие сероводородных вод настолько значительно, что содержание Н2 более 10 мг/л уже придает им лечебные свойства. В отдельных случаях содержание сероводорода достигает 140-150 мг/л (например, известные источники Мацесты на Кавказе).

Радиоактивные воды делятся на радоновые, содержащие радон, и радиевые, содержащие соли радия. Лечебное действие радиоактивных вод очень высоко.

По температуре термальные воды делятся на холодные (ниже 20°С), теплые (20-30°С), горячие (37-42°С) и очень горячие (свыше 42°С). Они распространены в областях молодого вулканизма (на Кавказе, Камчатке, в Средней Азии).

Основные типы подземных вод

Подземные воды - это все природные воды под поверхностью земли в подвижном состоянии. Они входят в состав минералов, заполняют поры и трещины в горных породах. Подземные воды - воды водоносных горизонтов, комплексов и зон земной коры. Подземные воды - геологический объект и должны исследоваться совместно с породами, вмещающими или вмещавшими их с учетом геологического строения структур земной коры и истории ее развития.

Существует множество классификаций. Многие исследователи в качестве признака рассматривают принадлежность разных видов подземных вод к конкретным зонам: зоне аэрации и зоне насыщения.

Зона аэрации (зона неполного насыщения)-самая верхняя часть разреза земной коры, ограниченная сверху поверхностью Земли, а снизу - свободной поверхностью подземных вод первого водоносного горизонта. Мощность зоны аэрации от нулевых значений в заболоченной местности до 250 м на территории пустынь и горных областей с сильно расчлененным рельефом. Зона аэрации отсутствует в пределах акватории Мирового океана, а также под руслами рек и внутренних водоемов при наличии непосредственной гидравлической связи первого водоносного горизонта с поверхностными водами.

В зоне неполного насыщения свободное пространство в минеральном скелете пород заполнено частично водой (связанные воды, капиллярные, свободные гравитационные, вода в виде пара, лед) и частично газами.

Зона насыщения (полного насыщения)-охватывает верхнюю часть разреза земной коры от уровня первого водоносного горизонта (нижняя граница зоны аэрации) до глубин 8-20км.

В зоне полного насыщения свободное пространство в минеральном скелете пород (поры, трещины, пустоты) полностью заполнено свободной гравитационной водой и водой, физически связанной с поверхностью минеральных частиц горной породы.

Подземные воды - воды, находящиеся в толще земной коры. Находятся они в различном физическом состоянии - жидком, твёрдом (лёд, а также вода, связанная в кристаллической решётке различных минералов) и газообразном (водяной пар). Основную работу производит вода в жидком состоянии. Но вода внутри земной коры способна переходить из одного состояния в другое. Поэтому при изучении гидрологического режима подземных вод нужно учитывать все возможные состояния её нахождения. Изучение подземных вод и их деятельности является предметом особой дисциплины, находящейся на стыке геологических и географических наук -гидрогеологии.

Подземные воды участвуют в общем круговороте воды, но с различной интенсивностью. Выделяют зоны:

- свободного водообмена (верхнюю) - большей частью пресные;

- замедленного водообмена (среднюю) - минерализованные;

- весьма замедленного водообмена (нижнюю) - преимущественно рассолы. Виды подземных вод:

1. Свободная вода заполняет трещины и пустоты в грунтах и горных породах. Свободные воды образуют скопления и подземные потоки, передают гидростатическое давление по закону сообщающихся сосудов.

2. Капиллярная вода заполняет капиллярные поры и промежутки. Удерживается силами поверхностного натяжения и может подниматься выше уровня свободной воды на 2 м и более. Это имеет большое значение в природных процессах. В частности, именно этот эффект приводит к засолению почв.

3. Плёночная вода обволакивает минеральные частицы плёнкой толщиной в доли микрона. Удерживается силами поверхностного натяжения и может перетекать туда, где плёнка тоньше.

4. Гигроскопическая вода облекает минеральные частицы плёнкой, толщиной в одну молекулу. Становится подвижной только при переходе в газообразную форму. Не замерзает при существующих на Земле температурах.

5. Лёд - замёрзшая вода. Может содержаться в форме мелких кристаллических частиц (в мёрзлых грунтах) и формировать скопления.

6. Газообразная вода, или водяной пар содержится в составе подземных атмосфер.

7. Кристаллизационная вода входит в состав минералов в виде молекул (гипс, опал). Удаляется и переходит в другие состояния при реакциях дегидратации.

8. Конституционная вода - в составе кристаллической решётки минералов в диссоциированном виде. Высвобождается лишь при полном разрушении минералов при метаморфических процессах.

В зоне аэрации выделяют:

а). Почвенные воды - они распространены в почвенном слое близ поверхности земли и заполняют пустоты в почве, мощность горизонта почвенных вод от первых десятков см до 1-1,5м. В почве формируются прочно- и рыхлосвязанные воды, а также капиллярные. Формируются они в связи с процессами инфильтрации атмосферных осадков, снеготалых вод и конденсации атмосферной влаги. Основной вид движения почвенных вод- вертикальный влагоперенос. Вид и состояние почвенных вод определяют 3 основных фактора: общая увлажненность почвы, мощность зоны аэрации и структурно-текстурные особенности почвы. Почвенные воды сильно подвержены сезонным колебаниям: в летнее время могут испаряться, а зимой замерзать. Они не имеют водоупора. Почвенные воды обеспечивают влагой растения.

б). Верховодка - тип подземной воды, которая образуется на линзах и выклинивающихся пластах водоупорных или слабопроницаемых пород (линзы глин среди песчаных отложений речных террас или суглинков в водонепроницаемых водно-ледниковых отложениях, водоупоры могут быть связаны с горизонтами погребенных почв, породами сезонномерзлого слоя) в зоне аэрации за счет инфильтрации атмосферных и поверхностных вод. Подземные воды верховодки обычно образуются на небольшой глубине и их распространение ограничено по площади. Мощность пород, насыщенных верховодкой - до 1м, редко до 2-5м. Продолжительность существования верховодки зависит от размеров и мощности водоупорного ложа, влагоемкости пород и условий питания. Чем больше размеры и мощность водоупорной линзы и интенсивность питания, тем больше сроки существования верховодки.

в). Воды слоя сезонного оттаивания - распространены в многолетнемерзлотных районах, мощность их 20-30см до 4-5м, появляются с началом сезонного протаивания, движутся только в соответствии с уклоном местности, находятся в жидкой фазе только часть года. Источник питания: атмосферные осадки, конденсация водяных паров.

г). Воды капиллярной каймы связаны непосредственно со свободной поверхностью первого водоносного горизонта. Мощность капиллярной каймы (высота подъема относительно уровня грунтовых вод) определяется гранулометрическим составом пород зоны аэрации.

Предельная высота капиллярного поднятия

В зоне насыщения выделяют: 1. грунтовые воды; 2. межпластовые безнапорные воды; 3. межпластовые напорные или артезианские воды.

1. грунтовые воды - свободные подземные воды первого от поверхности земли, постоянно существующегорегионально распространенного водного горизонта, залегающего на первом от поверхности выдержанном водоупорном слое. Питание грунтовых вод происходит за счет инфильтрации атмосферных осадков, речных вод, а также за счет глубинных напорных вод и в результате конденсации водяных паров. По гидравлическим свойствам грунтовые воды безнапорные, но в отдельных случаях они приобретают местный напор. Глубина залегания от см до десятков м. (в горно-складчатых областях до 250м). Уровень грунтовых вод непостоянен, он зависит от климатических и погодных условий: в дождливые периоды повышается, а в засушливые понижается. Грунтовые воды используются для питьевых целей.

2. межпластовые ненапорные воды располагаются в водопроницаемых горных породах, которые сверху и снизу ограничиваются водонепроницаемыми пластами. Обычно они встречаются на приподнятых междуречных массивах в условиях расчлененного рельефа и выходят в виде нисходящих источников в береговых склонах оврагов, рек и др. Межпластовые воды заключены между двумя водоупорами, один из которых подстилает водоносный горизонт, другой перекрывает. Питание осуществляется за счет атмосферных осадков и воды из вышележащих горизонтов.

3. межпластовые напорные (артезианские) глубинные воды - подземные воды, находящиеся в водоносных горизонтах, перекрытых водоупорными слоями горных пород и обладающие гидростатическим напором. Напорные воды инфильтрационного происхождения называют артезианскими. Они залегают между двумя водоупорными слоями, при вскрытии вода поднимается выше водоупорной кровли, а при сильном напоре может самоизливаться. Залегают на большой глубине. Они залегают на больших глубинах вне сферы воздействия рек, оврагов и др. Питание артезианских вод происходит, когда пьезометрическая поверхность этих вод находится выше кровли водоупора грунтовых вод, питание осуществляется по гидрогеологическим окнам (пьезометрическая поверхность - это условная прямая, которая соединяет область питания и область разгрузки; при вскрытии артезианских вод скважинами их уровень поднимается до этой поверхности).

Помимо основных типов п/в выделяют также:

Трещинные воды - это подземные воды, циркулирующие в трещинах горных пород. Они заполняют трещины выветривания, литогенетические и тектонические трещины. Трещины могут отстоят далеко одна от другой, быть тесно скученными; зияющими либо закрытыми; могут пересекаться с образованием густой сети. Больше всего трещин находится в тектонически нарушенных районах. Вода в трещинах залегает в виде водных жил, а в связи с многообразием трещин ее зеркало имеет очень сложный характер. Трещинные воды бывают напорные и ненапорные. В зависимости от условий залегания трещинные воды могут быть грунтовыми, межпластовыми, жильными. Они непостоянны: размыв и растворение горных пород приводят к расширению трещин, а кристаллизация и осаждение коллоидов и суспензий - к их сужению.

Напр., глинистые отложения иногда прекращают доступ осадков в трещины, сокращают размеры области питания и производят подпор и повышение уровня воды в трещинах. Сглаживание рельефа и смыв коры выветривания приводят к уменьшению водоносности самой водообильной зоны. Обнажение участков трещиноватых пород увеличивает водообильность. Приток трещинных вод очень разнообразен и колеблется от 20 до 500 м3/час.

Карстовые воды - циркулируют по трещинам и пустотам карстового массива. Отличаются от трещинных вод более интенсивным движением, непостоянством химического состава. Карстовые воды всегда связаны с растворимыми водой породами: известняками, доломитами, гипсом, каменной солью.

Подземные воды районов распространения многолетнемерзлых пород - контактируют или содержатся в толще многолетнемерзлых пород. Они делятся на надмерзлотные, межмерзлотные, подмерзлотные.

Питание рек подземными водами. Методики расчета подземного стока

Подземные воды служат надежным источником питания рек. Они действуют круглый год и обеспечивают питание рек в зимнюю и летнюю межень (или при низких уровнях стояния горизонта воды), когда поверхностный сток отсутствует.

При сильно замедленных скоростях движения грунтовых вод, по сравнению с поверхностными, подземные воды в речном стоке выступают как регулирующий фактор.

Также, при сильно замедленных или небольших скоростях движения грунтовых вод, на реках Крайнего Севера при низких температурах воздуха, наблюдается перемерзание (полное или частичное) реки, и тогда вода заходит с подпорной части того водоема, в которую впадает река (это может быть главная река, море, озеро и т.п.). Такие явления наблюдаются, например, в п. Нижнеянск, который находится в 25 км от устья р.Яны, где в период стояния низких температур и полного перемерзания реки на перекатах, с подпора в русло реки выше по течению от места перемерзания, заходит соленая вода из Северного Ледовитого океана.

Количественной мерой питания служит значение подземного стока, который, в свою очередь, характеризуется так называемым модулем подземного стока:

Мподз. = К*М0/100,

где Мподз. - модуль подземного стока, л/сек с 1 км2 водосборной площади;

М0 - средний многолетний модуль общего стока, л/сек с 1 км2 поверхностного водосборного бассейна;

К - модульный коэффициент, показывающий процент подземного стока в общем стоке и определяемый по формуле К=Мmin/М0,

где Мmin - минимальный модуль стока, л/сек с 1 км2 поверхностного водосборного бассейна, определяемый по зимнему расходу реки и равный модулю подземного стока, т.к. реки зимой питаются преимущественно подземными водами.

Модуль подземного стока является надёжным показателем для оценки водоносности горных пород, распространённых на площади водосборного бассейна какой-либо реки, т.к. он представляет собой то количество подземной воды (в л/сек), поступающее в реку с 1 кв. км того или иного водоносного горизонта, дренируемого рекой.

Согласно Б.И. Куделину, для более точного расчёта подземного стока малых и средних рек предлагается различать четыре типа питания рек подземными водами:

a) Питание грунтовыми водами, гидравлически не связанными с рекой;

b) Питание грунтовыми водами, гидравлически связанными с рекой;

c) Смешанное грунтовое питание (a+b);

d) Смешанное грунтовое и артезианское питание (a+b+c).

Согласно этих данных Б.И. Куделиным были предложены формулы для определения слоя hподз и коэффициента подземного стока бподз.

Коэффициент подземного стока бподз представляет собой отношение подземного стока к осадкам, выпавшим на площадь данного речного водосборного бассейна, и показывает ту часть осадков, которая идёт на питание подземных зон весьма интенсивного водообмена в бассейне: , где x - слой осадков, мм/год.

Расчёты подземного стока обычно обобщаются в виде карт подземного питания, коэффициентов и модулей подземного стока, отражающих естественные ресурсы различных видов подземных вод, развитых в пределах малых и средних речных бассейнов и их отдельных районов и участков.

В силу своего местонахождения подземные воды 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 уровны 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 паводочное 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.

подземный вода сток

Список литературы

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

Горошков И.Ф. Гидрологические расчёты. - Л.: Гидрометеоиздат, 1979.

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

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

Черданцев В.А., Пивон Ю.И. Методические указания по дисциплине: «Гидрология». - Новосибирск: НГАЭиУ, 2004.

Справочное руководство гидрогеолога. В 2 томах. Под ред. В.П. Якуцени. - Л.: Недра, 1967. - Т.1.

Размещено на Allbest.ru