Грунтовые воды

Размещено на http://allbest.ru

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ МОСКОВСКОЙ ОБЛАСТИ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ОБЛАСТНОЙ УНИВЕРСИТЕТ (МГОУ)

КАФЕДРА ГЕОЛОГИИ И ГЕОЭКОЛОГИИ

Курсовая работа

по предмету «Гидрогеология».

Грунтовые воды

Выполнила: Шевелёва А.А.

Студентка: 34 группы

Факультет: ГЭФ Курс: 3 (5 лет)

Научный руководитель:

кгн, доцент Новиков А.П.

2012 г.



Содержание

Введение

1. Грунтовые воды и их происхождение

2. Гидрохимия грунтовых вод

3. Экологические особенности грунтовых вод

4. Зональность грунтовых вод России

5. Грунтовые воды как источник водоснабжения

6. Потребительские показатели грунтовых вод (минерализация, жёсткость)

7. Значение грунтовых вод в промышленном строительстве

Заключение

Список литературы



Введение

Природные комплексы Московской области очень разнообразны. Это обусловлено, в значительной мере, разнообразием рельефа.

1. Верхневолжская низменность.

2. Мещёрская низменность.

3. Смоленско-Московская возвышенность с Клинско-Дмитровской грядой.

4. Москворецко-Окская равнина.

5. Заокское эрозионное плато.

Такое разнообразие форм рельефа обуславливает, прежде всего, вариацию водных режимов территорий.

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:

- Верховодка;

- Грунтовые воды;

- Межпластовые подземные воды;

- Подземные воды в трещиноватых и закарстованных породах;

- Подземные воды вечной мерзлоты.



1. Грунтовые воды и их происхождение

Грунтовыми водами, или грунтовым водоносным горизонтом, называется первый от поверхности земли постоянно существующий регионально распространенный водоносный горизонт со свободным уровнем. Понятия "постоянно существующий" и "регионально распространенный" подчеркивают различие между грунтовыми водами и верховодкой, которая также фиксируется как первый от поверхности водоносный горизонт. В отличие от верховодки существование грунтового водоносного горизонта обычно связано с наличием регионально (в пределах всего рассматриваемого района или значительной его части) распространенного пласта слабопроницаемых пород. Понятия "свободный уровень", "свободная поверхность" подчеркивают тот факт, что верхней границей грунтового водоносного горизонта является свободный уровень подземных вод. При вскрытии водоносного горизонта в этом случае отсутствует избыточное давление воды на его кровле (Р= Р_атм) и уровень воды устанавливается на отметке вскрытия верхней границы горизонта. В связи с этим грунтовые воды не совсем верно называются также безнапорными. На участках, где в верхней части водоносного горизонта распространены линзы слабопроницаемых пород, или покровные слабопроницаемые отложения, собственно водоносный горизонт фиксируется горными выработками ниже их подошвы. На таких участках наблюдается избыточное гидростатическое давление, под действием которого уровень воды устанавливается выше кровли водоносного горизонта. В этом случае подземные воды называются водами с местным напором, или субнапорными. В пределах платформенных территорий гумидной зоны грунтовый водоносный горизонт залегает на глубинах до 10--15 м и формируется преимущественно в рыхлых отложениях четвертичного и неоген-четвертичного возраста.



2. Гидрохимия грунтовых вод

Питание и разгрузка грунтовых вод, являющиеся основными элементами водного баланса любого водоносного горизонта, определяют поступление воды в горизонт, накопление запасов подземных вод и соответственно отток и расходование (сработку) запасов подземных вод данного водоносного горизонта. Питание грунтовых вод в общем случае осуществляется при инфильтрации атмосферных осадков, конденсации, поглощении поверхностных вод, притоке из нижележащих горизонтов и искусственном питании грунтовых вод. В связи с тем, что грунтовый водоносный горизонт не изолирован от поверхности земли, питание грунтовых вод принципиально возможно в пределах всей площади распространения горизонта (область питания совпадает с областью распространения горизонта).

Под инфильтрацией понимается процесс просачивания свободной гравитационной воды от поверхности земли до уровня грунтового водоносного горизонта. В соответствии с этим величина инфильтрационного питания обычно выражается в миллиметрах слоя воды, поступившей на уровень грунтовых вод за расчетный период времени (мм/сут, мм/мес, мм/год). При необходимости эта величина может быть также выражена расходом воды, поступившим за расчетный период времени на единицу поверхности грунтового водоносного горизонта, например модулем инфильтрационного питания (л/с * км²).

Величина инфильтрационного питания грунтовых вод в общем случае определяется интенсивностью увлажнения поверхности земли, строением и составом пород зоны аэрации, температурным режимом и влажностью пород зоны аэрации, видом растительности. Интенсивность увлажнения поверхности земли определяется количеством воды, поступающим на нее в виде жидких атмосферных осадков, при таянии снега, сельскохозяйственных поливах; рельефом поверхности, определяющим условия склонового стекания и накопления влаги в понижениях рельефа; интенсивностью испарения влаги с поверхности земли, зависящей от температуры воздуха и поверхности почвы, ветрового режима и характера растительности. Как правило, величина инфильтрационного питания не связана прямо с количеством (годовой суммой) атмосферных осадков. В летний период при высоких температурах поверхности почвы и приповерхностного слоя воздуха атмосферные осадки, поступающие на поверхность земли, частично или полностью расходуются на испарение и не формируют инфильтрационного питания.

В годовом цикле могут быть выделены один или несколько (в зависимости от климатических условий местности) периодов с формированием питания грунтовых вод за счет инфильтрации атмосферных осадков. Сумма атмосферных осадков за этот период рассматривается в этом случае в качестве "эффективной" суммы осадков.

Строение среза, состав и влажность почвы и грунтовой зоны аэрации определяют впитывающую способность почвенного слоя, скорость движения просачивающейся воды (м/сут, см/с), возможность достижения инфильтрующимися водами поверхности грунтового горизонта или формирование верховодки на различных уровнях разреза зоны аэрации.

Если интенсивность увлажнения поверхности земли больше, чем впитывающая способность верхнего слоя почвы, происходит формирование склонового стока (стекание) и накопление дождевых или снеготалых вод в понижениях рельефа с последующим расходованием их на испарение и фильтрацию в породы зоны аэрации. В связи с этим при прочих равных условиях (строение зоны аэрации, глубина залегания уровня грунтовых вод), наиболее благоприятные условия формирования инфильтрации характерны, как правило, для микропонижений рельефа, в которых относительное переувлажнение поверхности определяется поступлением склонового стока.

Средние величины инфильтрационного питания грунтовых вод, рассчитанные для участков площадью до 1000--1500 км², изменяются, например, для территории европейской части России от 3 до 350 мм/год, коэффициенты инфильтрации (% от годовой суммы атмосферных осадков) -- от 1 до 60% и более. Для большей части территории в зонах умеренного и избыточного увлажнения эта величина составляет 60--100 мм/год (10--15% от годовой суммы осадков). Величины инфильтрационного питания до 200--300 мм/год (К_инф > 50--60%) характерны в основном для участков поверхностного распространения трещиноватых и интенсивно закарстованных пород (Подземный сток, 1964).

Формирование конденсационного питания грунтовых вод связано с процессом образования свободной гравитационной (вероятно, капиллярно- и рыхлосвязанной) воды за счет молекул водяного пара, содержащегося в воздухе, заполняющем свободное пространство в минеральном скелете пород зоны аэрации. Основной объем конденсационного питания грунтовых вод формируется в летний (теплый) период года, когда значительные перепады суточных температур воздуха и распределение температур в разрезе зоны аэрации обеспечивают существование нисходящего (от поверхности земли) движения молекул водяного пара под действием градиента температур.

Поглощение поверхностных вод формируется на участках, где уровень воды в поверхностных водоемах (болота, озера, водохранилища) и водотоках (реки, ручьи, каналы) располагается гипсометрически выше уровня подземных вод первого водоносного горизонта. Такие условия наиболее характерны для центральных частей высоких междуречных пространств, предгорных равнин, возвышенных участков горного рельефа, районов распространения карста. Разница уровней воды обусловливает наличие градиента напора, определяющего возможность нисходящей фильтрации через ложе водоема (русло реки) в залегающий ниже грунтовый водоносный горизонт. Скорость фильтрации и расходы потока на единицу поглощающей поверхности (м², км²) определяются прежде всего фильтрационными свойствами (К_ф) донных или русловых отложений и залегающих ниже пород зоны аэрации (грунтового водоносного горизонта).

В общем случае в зависимости от строения разреза и условий взаимодействия поверхностных и подземных вод могут быть выделены три различные схемы поглощения:

1) с отсутствием гидравлической связи поверхностных и подземных вод,

2) с наличием гидравлической связи при постоянном положении поверхностных вод выше уровня фунтового водоносного горизонта,

3) с наличием гидравлической связи при периодическом положении поверхностных вод выше уровня фунтового водоносного горизонта (рис. 1).

Рис. 1. Схемы формирования питания грунтового водоносного горизонта за счет поглощения поверхностных вод: а -- схема "свободной" фильтрации; б -- "подпорной" фильтрации; в -- периодического питания при подъемах уровня поверхностных вод. 1 -- проницаемые (водоносные) породы; 2 -- слабопроницаемые породы; 3 ~ уровень грунтовых вод; 4 -- положение уровня фунтовых вод на различные периоды времени при "мгновенном" подъеме уровня поверхностных вод; 5 -- уровень поверхностных вод; 6 -- направления движения грунтовых вод

Поглощение поверхностных вод в отсутствие гидравлической связи формируется главным образом на участках с глубоким залеганием уровня грунтовых вод при двухслойном строении разреза с относительно меньшей проницаемостью пород верхнего слоя (см. рис. 1, а). Подобное строение разреза зоны аэрации встречается достаточно часто при залегании существенно глинистых аллювиальных отложений (пойменная фация аллювия), ледниковых валунных суглинков, пролювиально-аллювиальных, покровных и других отложений на высокопроницаемых крупнообломочных, интенсивно-трещиноватых и закарстованных породах. Во многих случаях при однородном строении разреза, представленного высокопроницаемыми породами, роль слабопроницаемого экрана между поверхностными и грунтовыми водами играет относительно маломощный слой русловых (донных) отложений, высокие фильтрационные сопротивления которого определяются кольматацией фильтрующего пространства (даже высокопроницаемых пород) глинистым материалом, наиболее интенсивно происходящей в условиях поглощения поверхностных вод (заиление русловых отложений).

В условиях двухслойного строения разреза зона насыщения под руслом (дном водоема) формируется только в породах слабопроницаемого слоя. Ниже его подошвы в породах с относительно большей проницаемостью до уровня грунтовых вод существует зона неполного насыщения со свободным просачиванием воды, фильтрующейся через слабопроницаемый слой. В соответствии с этим подобная схема поглощения поверхностных вод условно называется схемой свободной фильтрации (поглощения).

При поглощении поверхностных вод по схеме свободной фильтрации скорость фильтрации из водоема и расход воды на единицу поверхности дна водоема (м², км²) в основном определяются значением проницаемости К_ф верхнего слоя. Однако в этом случае фильтрация воды на участке 1--2 (см. рис. 1, а) осуществляется с большими значениями напорного градиента J₀.

В общем случае при малой мощности руслового слабопроницаемого слоя значение напорного градиента может быть больше 1, что определяет относительно высокие скорости фильтрации и расходы поглощения поверхностных вод даже при низких значениях проницаемости верхнего слоя: К₀ = 10^-2--10^-4 м/сут.

Движение грунтовых вод под зоной поглощения формируется в соответствии с распределением напоров или в одном направлении, или в виде двух смежных потоков грунтовых вод, разделенных водоразделом (см. рис. 1, а).

При наличии гидравлической связи поверхностных и грунтовых вод и постоянном положении поверхностных вод выше уровня грунтового водоносного горизонта под руслом реки или дном водоема существует зона постоянного насыщения (см. рис. 1, б). Формируются потоки грунтовых вод, направленные в обе стороны от русла реки, или радиально расходящийся поток грунтовых вод при фильтрации из водоема. Фильтрационные потери из русла (расход на единицу длины русла м³ /сут ^. м, м³/сут ^. км) в этом случае определяются главным образом проводимостью пласта (Km) и разностью напоров (H₁--H₂) в прирусловой части потока (см. рис. 1, б), обеспечивающих отток грунтовых вод от зоны поглощения. При формировании поглощения непосредственно в прирусловой части потока грунтовых вод всегда фиксируется определенный подъем (подпор) их уровня, в соответствии с чем эта схема не совсем правильно называется схемой подпорной фильтрации.

При наличии гидравлической связи и периодическом положении поверхностных вод выше уровня грунтового водоносного горизонта поглощение поверхностных вод происходит только при подъемах уровня поверхностных вод (паводки, половодья, приливы). При спаде уровней поверхностных вод и при его низких положениях осуществляется разгрузка грунтовых вод в русло реки (см. рис. 1, в). В период подъема уровня поверхностных вод в прирусловой части потока грунтовых вод создается "обратная" разность напоров, определяющая фильтрацию (поглощение) поверхностных вод в берега и формирование зоны периодического насыщения и подъема уровня грунтовых вод.

Размеры зоны периодического насыщения и положение ее верхней границы (уровня грунтовых вод) существенно изменяются во времени, в связи с чем подобная схема взаимодействия поверхностных и подземных вод называется нестационарным подпором грунтовых вод при фильтрации из русла (водоема). При постоянном подъеме уровня поверхностных вод (создание водохранилища) в предельном случае через определенный длительный интервал времени в результате фильтрации поверхностных вод в берега, притока по пласту и местного инфильтрационного питания формируется новое (стационарное, стационарный подпор) положение уровня грунтовых вод (см. рис. 1, в), при котором восстанавливается их разгрузка в реку или водохранилище.

При залегании уровня грунтовых вод ниже уровня поверхностных вод формирование той или иной схемы поглощения (см. рис. 1) определяется прежде всего строением разреза, проницаемостью породы зоны аэрации и глубиной залегания уровня грунтовых вод. Поскольку эти характеристики могут довольно сильно изменяться по длине русла реки и даже во времени (изменение русловых сопротивлений при отложении или переотложении донных осадков, подмыве и обрушении берегов, сезонные подъемы уровня грунтовых вод ), схема взаимодействия поверхностных и грунтовых вод (от участка к участку или в различные сезоны года) может меняться. В соответствии с этим в каждом конкретном случае обоснование схемы поглощения поверхностных вод (на данном участке) может быть основано только на фактических данных о положении уровня грунтовых вод под руслом реки (водоема) или непосредственно в прирусловой части потока грунтовых вод (см. рис. 1).

Питание грунтовых вод за счет восходящей фильтрации из нижележащих горизонтов возможно на участках, где пьезометрическая поверхность напорных вод устанавливается выше уровня грунтового водоносного горизонта (рис. 2).



Рис. 2. Схема формирования питания грунтовых вод за счет фильтрации из нижележащего водоносного горизонта: / -- грунтовые воды; 2 -- межпластовый водоносный горизонт; 3 -- пьезометрическим уровень межпластовых вод; 4 -- затрудненная рассредоточенная фильтрация (перетекание); 5 -- локальное интенсивное перетекание; 6 -- фильтрация но "гидрогеологическим окнам"

Подобное соотношение уровней характерно главным образом для относительно пониженных участков территории (днища речных долин, глубокие бессточные впадины, озерные котловины, заболоченные низменности). На таких участках низкое положение уровня грунтовых вод определяется наличием близко расположенных зон их интенсивной разгрузки. Соотношение уровней фунтовых и более глубоких подземных вод обусловливает в этом случае наличие соответствующей разности напоров ?Н и межпластового напорного градиента J₀, определяющего возможность субвертикальной восходящей фильтрации из нижележащего водоносного горизонта (см. рис. 2). При постоянном (в пределах участка) значении разности напоров ?Н характер и величины восходящей фильтрации в грунтовый водоносный горизонт в решающей степени определяются фильтрационными свойствами К₀ и мощностью т₀ разделяющего слабопроницаемого слоя. В области сплошного распространения пород слабопроницаемого слоя условия восходящей фильтрации наиболее затрудненные и, следовательно, наименьшие (на единицу площади) величины питания грунтового водоносного горизонта. Подобная затрудненная субвертикальная фильтрация через выдержанные слабопроницаемые слои обычно называется перетеканием (межпластовое перетекание).

На участках, где породы слабопроницаемого слоя характеризуются более высокими значениями проницаемости (изменение гранулометрического состава, зоны с интенсивной трешиноватостью.) или уменьшением его мощности (древние эрозионные размывы), условия взаимодействия смежных горизонтов более благоприятны и величины питания грунтовых вод относительно больше (локальное интенсивное перетекание). Наиболее благоприятные условия взаимодействия смежных горизонтов и в общем случае наибольшие величины питания характерны для участков с открытой гидравлической связью (отсутствием пород слабопроницаемого слоя). Такие участки, связанные с зонами фациального замещения слабопроницаемых пород, глубокими эрозионными размывами, зонами тектонических нарушений (см. рис. 2), условно называются гидрогеологическими "окнами по которым осуществляется открытая гидравлическая связь двух смежных водоносных горизонтов.

Искусственное питание грунтовых вод. В связи с интенсивным развитием хозяйственной деятельности происходит постепенное сокращение территорий с сохранением естественных условий (естественного режима) питания грунтовых вод. Распашка целинных земель, вырубка леса, сельскохозяйственная мелиорация, гидротехническое строительство и другие виды хозяйственной деятельности человека приводят к тем или иным изменениям условий естественного питания грунтовых вод на обширных территориях. На изменение условий питания грунтовых вод особенно сильно влияют те виды хозяйственной деятельности, с которыми связаны резкие изменения водного режима и интенсивности увлажнения поверхности земли (орошение, обводнение пастбищ, создание прудов и водохранилищ). В целом можно считать, что на земном шаре в развитых в хозяйственном отношении странах в настоящее время практически отсутствуют сколько-нибудь крупные регионы с сохранением абсолютно естественных (ненарушенных) условий формирования питания грунтовых вод. В соответствии с этим существует некоторая неопределенность с понятиями естественное и искусственное питание грунтовых вод. Рассматривая различные виды и степень изменения естественных условий формирования питания грунтовых вод, правильнее определять их как условия естественно-антропогенные (т.е. естественные условия, в той или иной мере измененные антропогенным воздействием). При этом в качестве собственно искусственного питания грунтовых вод следует рассматривать питание, формирующееся в связи с инженерно-хозяйственными мероприятиями, непосредственной целью которых является увеличение запасов грунтовых вод. Основные мероприятия этого типа -- создание инфильтрационных бассейнов, поглошаюгцих колодцев, нагнетательных скважин.

Разгрузка грунтовых вод осуществляется в виде родников, фильтрацией в русла рек или дно водоемов при наличии гидравлической связи грунтовых и поверхностных вод, путем испарения, перетеканием в нижележащие водоносные горизонты, искусственным путем.

Родниками (источниками) называются естественные выходы подземных вод (в том числе грунтовых) на поверхность земли. Образование источника как формы разгрузки грунтовых вод определяется главным образом двумя причинами: эрозионной расчлененностью рельефа, обусловливающей вскрытие водоносного горизонта эрозионными врезами (понижениями в рельефе), и фильтрационной неоднородностью водовмещающих пород, обусловливающей неравномерную обводненность разреза, наличие высокопроницаемых участков, зон интенсивной трещиноватости и закарстованности, наличие слабопроницаемых экранов.

В гидрогеологической литературе рассматривается ряд классификаций источников (по типам подземных вод, типу водовмещающих пород, характеру выхода на поверхность, дебитам источников, температуре), разработанных М.Е. Альтовским, O.K. Ланге, Н.А. Мариновым, A.M. Овчинниковым, Ф.П. Саваренским, Н.И. Толстихиным.

По характеру и условиям выхода собственно грунтовых вод на поверхность земли источники подразделяются на контактовые, эрозионные, экранированные, субфлювиальные и субаквальные (рис. 3).

Контактовые выходы фунтовых вод (родники) образуются в том случае, когда эрозионные врезы вскрывают контакт водоносных пород (грунтового горизонта) с подстилающими слабопроницаемыми породами (рис. 3).

Рис. 3. Основные схемы формирования естественных выходов (источников) грунтовых вод: а -- контактовый; б -- дспрессионные; в -- экранированный; г -- субфдювиальный. 1 -- проницаемые (водоносные) породы; 2 -- слабопроницаемые породы; 3 -- рыхлые склоновые образования; 4 -- уровень грунтовых вод; 5 -- родник; 6 -- направление движения грунтовых вод; 7 -- разгрузка грунтовых вод испарением

Эрозионные (правильнее -- депрессионные) источники образуются, когда эрозионные врезы вскрывают уровень фунтовых вод, не прорезая весь водоносный горизонт до подстилающего водоупо- ра (см. рис. 3, б). Формирование подобных выходов характерно для понижений в тыловых швах речных и озерных террас, заболоченных низменностей, а также для мелких эрозионных врезов (овраги, промоины, балки) на участках с относительно неглубоким залеганием уровня грунтовых вод. Во многих случаях источники этого типа имеют сезонный характер, так как в периоды с низким положением уровня грунтовых вод, мелкие эрозионные врезы не достигают поверхности водоносного горизонта. В общем случае депрессионные выходы грунтовых вод дренируют только верхнюю часть водоносного горизонта, а основная разгрузка осуществляется ниже по потоку в более глубоких эрозионных врезах.

Экранированные выходы (источники) грунтовых вод формируются в условиях, когда поток грунтовых вод (по направлению движения) достигает границы распространения слабопроницаемых пород (экрана).

Подобные условия разгрузки характерны для оползневых склонов, а также для участков фациального или тектонического экранирования водоносных пород (см. рис. 1, в). Наличие слабопроницаемого экрана приводит к местному подъему уровня грунтовых вод и к формированию на более высоких отметках в определенной мере "восходящей" (подпертой) разгрузки грунтовых вод.

Субфлювисыьные - выходы грунтовых вод, перекрытые рыхлыми склоновыми отложениями, которые образуются главным образом при контактовых формах разгрузки (см. рис3, г). Наличие рыхлых склоновых образований приводит к тому, что грунтовые воды, разгружающиеся на контакте водоносных и слабопроницаемых пород, не образуют отдельного выхода (родника), а фильтруются в рыхлые отложения, разгружаясь в виде источников (высачиваний) на более низких отметках или путем испарения и транспирации.

Субаквальными родниками называются сосредоточенные выходы подземных вод (групповые выходы, пластовая разгрузка), формирующиеся в руслах рек или на дне водоемов ниже уровня поверхностных вод.

Дебиты источников, или расходы воды (л/с, м³/с ), изменяются в широких пределах в зависимости от состава и проницаемости водовмещающих пород, а также условий вскрытия водоносного горизонта и характера выхода. По классификации Н. А. Маринова и Н.И. Толстихина, источники по величине дебита подразделяются на малодебитные (менее 1 л/с), среднедебитные (1 -- 10 л/с) и высокодебитные (более 10 л/с).

Наиболее крупные источники и групповые выходы с дебитом до 1,0--10 м³/с и более связаны, как правило, с интенсивно закарстованными породами, зонами интенсивной тектонической трещиноватости скальных пород, молодыми эффузивными породами и крупнообломочными осадочными отложениями.

Разгрузка грунтовых вод при наличии гидравлической связи с поверхностными водами формируется непосредственно в русла рек и водоемы ниже уровня поверхности вод (см. рис. 1). В зависимости от строения гидрогеологического разреза, а также распределения фильтрационных свойств водовмещающих пород и "руслового" слоя разгрузка этого типа осуществляется либо в виде рассредоточенной (относительно равномерной) фильтрации через донные отложения, либо путем концентрированных субаквальных выходов (родников). В большинстве случаев при наличии гидравлической связи грунтовых и поверхностных вод формируется двусторонний приток к дрене (см. рис. 1) с формированием под руслом реки границы между двумя разнонаправленными потоками фунтовых вод (условия полного дренирования потока грунтовых вод). Однако в специфических условиях (карст, трещиноватые породы) возможно существование участков с односторонней разгрузкой, когда часть потока "проскакивает" под руслом в направлении более глубокой дрены (неполное дренирование). В этом случае на противоположном от участка разгрузки берегу уровень грунтовых вод может залегать ниже уровня поверхностных вод, что обеспечивает также возможность питания грунтовых вод за счет поглощения поверхностных.

Испарение является одним из основных видов разгрузки на участках с неглубоким залеганием уровня грунтовых вод. Собственно разгрузка грунтовых вод в этом случае может осуществляться тремя путями: испарением с поверхности почвы, когда капиллярная кайма, формирующаяся над уровнем грунтовых вод, достигает почвенного слоя (испарение с капиллярной каймы); испарение в породы зоны аэрации при глубоком залегании уровня грунтовых вод (внутригрунтовое испарение); поглощение воды корневой системой растений в случае, если она достигает уровня грунтовых вод или поверхности капиллярной каймы (транспирация).

Влияние перечисленных выше факторов приводит к тому, что даже в единых климатических и ландшафтных условиях величина разгрузки грунтовых вод испарением изменяется в широких пределах.

Разгрузка грунтовых вод за счет перетекания в нижележащие горизонты возможна на участках, где уровень грунтового водоносного горизонта залегает гипсометрически выше пьезометрической поверхности более глубоких подземных вод. Подобное соотношение уровней характерно главным образом для относительно повышенных участков территории, удаленных от областей интенсивной разгрузки грунтовых вод (центральные части междуречных пространств, высокие надпойменные террасы, предгорные равнины). Указанное соотношение уровней определяет существование вертикального (межпластового) напорного градиента, обусловливающего возможность формирования субвертикальной нисходящей фильтрации грунтовых вод в нижележащие водоносные горизонты. Условия формирования нисходящей межпластовой фильтрации грунтовых вод, распределение величин и другие параметры аналогичны рассмотренным выше (см. рис. 2 с обратным знаком).

Искусственная разгрузка грунтовых вод формируется на участках, где уровень водоносного горизонта вскрывается горными выработками или любыми техногенными понижениями, создаваемыми на поверхности земли (шахты, карьеры, котлованы, дорожные выемки). Специфическими участками разгрузки являются дренажные сооружения (канавы, каналы), создаваемые специально для снижения уровня грунтовых вод, и водозаборные сооружения (колодцы, скважины, галереи), с помощью которых осуществляется эксплуатация (водоотбор) грунтовых вод.

Распределение напоров в грунтовом водоносном горизонте, определяющее закономерности и направления движения грунтовых вод, формируется в связи с распределением величин их питания и разгрузки. Поскольку питание грунтовых вод принципиально возможно в пределах всей площади распространения грунтового водоносного горизонта, а основная разгрузка (дренирование) осуществляется преимущественно в понижениях рельефа, общей закономерностью является движение грунтовых вод в направлении от относительно приподнятых участков территории к пониженным элементам рельефа. В этих же направлениях происходит постепенное снижение напоров грунтовых вод.

При определении величины напора грунтовых вод (в каждой конкретной точке) в качестве единой плоскости сравнения, как правило, принимается уровень Мирового океана, в связи с чем величина напора соответствует абсолютной отметке уровня грунтовых вод (в данной точке), за исключением участков, где давление на верхней границе горизонта не равно атмосферному. В зависимости от положения точки в потоке грунтовых вод пьезометрическая высота и расстояние до плоскости сравнения могут быть различными, но в каждом сечении профильного потока величина напора будет соответствовать абсолютной отметке поверхности грунтовых вод.

При наличии на площади распространения водоносного горизонта системы точек с известной абсолютной отметкой поверхности грунтовых вод эти точки (или промежуточные, полученные путем интерполяции) могут быть соединены плавными кривыми линиями, называемыми гидроизогипсами.

Гидроизогипсы -- линии, соединяющие точки с одинаковой абсолютной отметкой поверхности (уровня) грунтовых вод, являются линиями равного напора. Система этих линий, построенная для любого участка территории, характеризует положение (абсолютные отметки) реально существующей поверхности грунтового водоносного горизонта, а также распределение напоров грунтовых вод в пределах рассматриваемого участка. В соответствии с общей закономерностью распределения напоров грунтовых вод эта поверхность, как правило, в сглаженной форме повторяет поверхность земли, снижаясь от возвышенных (междуречных) участков территории к дренирующим понижениям в рельефе. В пределах каждого междуречного пространства, ограниченного дренами, формируются два разнонаправленных потока грунтовых вод, разделенных подземным водоразделом.

В нормальных условиях в грунтовом водоносном горизонте формируется система местных потоков грунтовых вод, гидродинамические границы которых определяются современным рельефом территории (водоразделы) и конфигурацией гидрографической сети (дрены).

3. Экологические особенности грунтовых вод

В качестве основных процессов по степени их влияния на формирование химического состава и минерализации грунтовых вод должны рассматриваться процессы: выщелачивания горных пород; концентрирования при разгрузке грунтовых вод испарением; смешения с водами более глубоких водоносных горизонтов (на участках их восходящей разгрузки); антропогенного воздействия на грунтовые воды.

Выщелачивание пород зоны аэрации и воловмегцающих пород грунтового горизонта в естественных условиях является основным процессом поступления минеральных веществ в грунтовые воды. Состав поступающих веществ и их концентрация определяются минералого-геохимическим комплексом горных пород. В условиях зон умеренного и избыточного увлажнения горные породы верхней части геологического разреза (зона аэрации, грунтовый водоносный горизонт) находятся на так называемой карбонатной стадии выщелачивания, поскольку более растворимые соединения (хлориды и сульфаты) в условиях интенсивного водообмена уже вынесены из верхней зоны. В этом случае в результате процесса выщелачивания формируются, как правило, грунтовые воды НCO₃--Ca(Mg) состава с минерализацией менее 1,0 г/л. Однако в пределах территорий, где в верхней части разреза широко распространены гипсы и загипсованные породы (Приуралье, северная часть Московской синеклизы), непосредственно в процессе выщелачивания формируются грунтовые воды S0₄--Са состава с минерализацией до 2,0--2,5 г/л и более. На территориях с аридным климатом при малых (до 10--15 мм/год и менее) величинах инфильтрационно-конденсационного питания и значительных (до 30--50 м и более) мощностях зоны аэрации в ней в течение длительного времени могут сохраняться легкорастворимые соединения (погребенные засоленные почвы, морские отложения). В этом случае в результате выщелачивания возможно формирование "пестрых" по составу (S0₄, CI--S0₄) грунтовых вод с минерализацией до 3,0--5,0 г/л и более.

В отложениях верхнечетвертичных и современных террас соленых озер (Прикаспий, юг Западной Сибири и др.) при наличии в них прослоев солей, засоленных суглинков и почв непосредственно в результате выщелачивания возможно формирование грунтовых вод CI--Na состава с минерализацией до 50 г/л и более.

Процесс испарения (разгрузка путем испарения) оказывает определяющее влияние на формирование состава грунтовых вод в пределах аридных и семиаридных территорий на участках с неглубоким (до 3--5 м) залеганием уровня. В этих условиях капиллярная кайма достигает поверхности земли, что определяет возможность интенсивного испарения грунтовых вод и накопления солей в почвенном слое и на поверхности земли (формирование солончаков и солонцов). В последующем при выпадении атмосферных осадков или поступлении в такие понижения вод склонового стока происходит растворение более легкорастворимых соединений (хлориды, сульфаты) и "вторичное" поступление их в грунтовый горизонт с инфильтрующимися водами. Проявление этого "механизма" в течение длительного времени (чередование в зависимости от сезонов года периодов разгрузки испарением и периодов инфильтрационного питания) приводит к формированию под такими понижениями минерализованных вод и рассолов преимущественно CI и S0₄--CI состава. Это явление обычно рассматривается как процесс континентального засоления грунтовых вод.

Процессы смешения с более глубокими минерализованными водами определяют изменение состава грунтовых вод на участках интенсивной глубинной разгрузки (долины крупных рек, приморские низменности, внутриконтинентальные впадины). В зависимости от расходов разгружающихся глубоких вод и их состава изменения минерализации и состава грунтовых вод могут быть различными. Наиболее интенсивные проявления этого фактора характерны для участков, где на относительно небольших глубинах залегают соли или засоленные горные породы (Соликамская впадина, Ангаро-Ленский регион). В этом случае в современных и верхнечетвертичных аллювиальных отложениях на отдельных участках формируются "купола" высокоминерализованных вод и рассолов хлоридного состава (долины рек Кама, Лена).

Гидрогеохимический режим грунтовых вод тесно связан с гидродинамическим режимом и определяется главным образом изменением (во времени) соотношения приходных и расходных статей баланса грунтового водоносного горизонта.

4. Зональность грунтовых вод России

Учение о зональности грунтовых вод разработано российскими гидрогеологами И.В. Гармоновым, И.К. Зайцевым, B.C. Ильиным, Г.Н. Каменским, O.K. Ланге. Согласно этому учению, поl зональностью понимаются закономерности пространственного (площадного) изменения условий формирования и типа грунтовых вод, определяемые воздействием природных факторов, связанных с проявлением широтной климатической зональности.

В 1922 г. B.C. Ильиным была составлена первая карта-схема зональности грунтовых вод европейской части России на которой в направлении с севера на юг этой территории выделены субширотные зоны: 1) грунтовых вод типа тундровых; 2) "высоких" грунтовых вод севера; 3) грунтовых вод неглубоких оврагов; 4) глубоких оврагов; 5) овражно-балочной сети; 6) балок причерноморского типа; 7) балок прикаспийского типа; 8) азональные типы грунтовых вод (рис. 4).

Рис. 4. Схема зональности грунтовых вод территории европейской части России (по B.C. Ильину). Зоны: / -- тундровых вод, 2 -- высоких вод Севера, 3 -- неглубоких оврагов, 4 -- глубоких оврагов, 5 -- овражно-балочная, 6 -- причерноморских балок, 7 -- прикаспийских балок: области распространения азональных вод: 8 -- конечных морен



При выделении указанных зон и азональных типов грунтовых вод B.C. Ильиным учитывалась общеприродная широтная зональность климатических условий территории, строение рельефа, геолого-литологические условия верхней части разреза. Однако собственно название выделяемых зон и положение их границ определялись на основе учета ландшафтно-геоморфологических условий рассматриваемой территории. Выделенные зоны в целом охватывают обширные территории, в пределах которых возможны различия в грунтовых водах. Однако в каждой зоне могут быть выделены общие (общезональные) закономерности условий залегания и типы грунтовых вод. Тем самым отнесение грунтовых вод к определенной зоне сразу дает представление об основных (наиболее общих) закономерностях их формирования.

В соответствии со схемой B.C. Ильина, в пределах европейской части России с севера на юг (от зоны к зоне) происходит постепенное увеличение глубины залегания грунтовых вод, уменьшение в соответствии с сокращением степени увлажнения (К_у) средних годовых величин инфильтрационного питания, увеличение минерализации грунтовых вод и соответственное изменение их химического состава.

Одним из важнейших зональных показателей является глубина залегания грунтовых вод, определяемая интенсивностью увлажнения (величины питания грунтовых вод), степенью и глубиной эрозионной расчлененности рельефа, а также строением верхней части гидрогеологического разреза.

В свою очередь глубина залегания грунтовых вод в центральных частях междуречных пространств определяет, при прочих равных условиях, величины инфильтрационного питания, расстояние до основных дрен (длину путей фильтрации), особенности режима грунтовых вод.

В северных более увлажненных территориях породы зоны аэрации находятся на карбонатной стадии выщелачивания, так как в связи с интенсивным водообменом (большие величины питания) здесь отсутствуют условия для сохранения легкорастворимых соединений в верхней части гидрогеологического разреза.

Дальнейшее развитие представлений B.C. Ильина о зональности грунтовых вод выполнено O.K. Ланге, составившим первую схему зональности грунтовых вод территории России и сопредельных государств в 1947 г. (рис. 5). На основании особенностей климатических условий территории O.K. Ланге выделены три провинции зональных грунтовых вод: провинция вечной мерзлоты с отрицательными среднегодовыми температурами; провинция с высокой влажностью воздуха, положительными среднегодовыми температурами и небольшой амплитудой суточных, сезонных и годовых колебаний температуры; провинция с высокой сухостью воздуха и большими амплитудами колебаний температуры. В пределах каждой провинции выделение зон (полос -- по O.K. Ланге) осуществляется по различным принципам; типы азональных грунтовых вод в целом соответствуют схеме B.C. Ильина.

Рис. 5. Схема зональности грунтовых вол территории бывшего СССР (по O.K. Ланге): юны распространения: / -- сплошной вечной мерзлоты; 2 -- таликовой (Па) и островной (Пб) мерзлоты; J -- тундровых вод (III). высоких вод севера (IV); 4-- неглубоких оврагов (V)



5. Грунтовые воды как источник водоснабжения

Грунтовые воды по причине относительно лёгкой доступности имеют большое значение для народного хозяйства как источники водоснабжения промышленных предприятий, городов, посёлков, населенных пунктов в сельской местности и так далее.

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

Для автономного водоснабжения дачи - полив, хознужды (до 1-2 м³ суточной потребности) - подойдет колодец при наличии водоносного горизонта от 5 до 20 м. И, хотя встречаются колодцы и до 30 м, колодец на большую глубину чреват осложнениями и становится нерентабельным по сравнению с бурением скважины. Надо также учитывать местную гидрогеологическую ситуацию - в болотистой местности вода из колодца не будет питьевой - в него будет проникать верховодка вместе с тем, что ей встретится на поверхности.

Колодец является, пожалуй, самым древним инженерным сооружением для получения воды, но свою актуальность не потерял и в наши дни.

За прошедшие столетия практически ничего не изменилось - та же шахта, доходящая до воды и «одетая» или деревянным срубом, или камнем, или железобетонным кольцом, та же (в большинстве случаях) ручная технология строительства.

6. Потребительские показатели грунтовых вод (минерализация, жёсткость)

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.

Минерализация

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

1. Пресные -- до 2 г/л.

2. Солоноватые -- 2--5 г/л.

3. Солёные -- 5--50 г/л.

4. Рассолы -- 50 - 270 г/л.

5. Крепкий рассол - более 270 г/л

Жёсткость воды обусловлена присутствием в воде ионов кальция и магния.

Типы воды по жёсткости.

В соответствии с ГОСТ 4151-72 общая жесткость воды измеряется в мг-экв/л.

(ГОСТ Р 52029-2003 Вода. Единица жесткости.)

По общей жёсткости воды подразделяются на 5 типов:

1 очень мягкая: до1,5 мг экв./л,

2 мягкая: 1,5 - 4 мг экв./л,

3 средней жёсткости: 4 - 8 мг экв./л,

4 жёсткая: 8 - 12 мг экв./л,

5 очень жёсткая: более 12 мг экв./л.



7. Значение грунтовых вод в промышленном строительстве

Размещать дрены необходимо так, чтобы рабочая площадка находилась над грунтовыми водами на уровне 20-40 см. Если механизмы будут размещены по-другому, доставать грунт будет крайне сложно. Если грунт сильно затоптан и перемят, он будет вести себя как песок-плывун. В этом случае очень трудно создать площадку для возведения фундамента, особенно осенью. Продолжать углублять котлован (траншею) возможно лишь после смены уровня приемного и сборного колодцев, а также заглубления дрен. Грунт следует вынимать в противоположном от потока грунтовых вод направлении, так как задерживаемый при этом поток будет размывать грунт.

Это приводит к недостатку минеральных частиц в грунте, несущая способность которого становится неопределимой. В этом случае может происходить оползание грунта, что повлечет за собой большие трудности при дальнейшем строительстве. Чтобы не допустить таких последствий, при обнаружении первых признаков суффозии рекомендуется немедленно прекратить откачивать воду, уровень воды при этом будет необходимо понизить до такого предела, при котором явления суффозии наблюдаться не будут. После подобного негативного опыта следует воспользоваться таким способом водопонижения, при котором будет исключена вероятность появления восходящей суффозии.

Чтобы вода не залила котлован, грунтовые воды удерживают на одном уровне за счет постоянного откачивания, либо откачку воды производят через определенные промежутки времени. Если вода хлынет в котлован, это может привести к непредсказуемым последствиям, например, к разрушению еще не укрепленных конструкций.

Водопроницаемость слоев грунта различна. На высоком уровне может находиться спокойная вода. Однако грунтовые воды, накопившиеся за длительный промежуток времени, могут оказывать давление различной силы. Для примера можно рассмотреть пол подвала, который «погружен» на 1 м в грунтовую воду. На каждый квадратный метр этого пола снизу вверх действует сила в 1 т. Чтобы нейтрализовать эту силу, нужна бетонная плита, толщина которой составляет приблизительно 0,46 м.

Другая типичная ошибка заключается в том, что неверным оказывается выбор гидроизоляции. Неправильно определив высоту грунтовых вод, гидроизоляцию в подвалах часто организуют лишь от влажности. В результате - давление грунтовых вод поднимает пол, гидроизоляция не спасает от затопления, которое становится опасным не только для подвала, но и для жилых помещений. После серьезного затопления ремонтировать жилище довольно сложно.

Любое здание должно быть надёжно защищено от уровня грунтовых вод, и лучше всего это делать ещё в процессе строительства. Комплекс защитных мероприятий может включать в себя различные способы гидроизоляции, дренажа.



Заключение

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. Таким образом, зная особенности рельефа территорий, расположенных в тех или иных районах, можно прогнозировать водный режим земель.

В заключение следует отметить, что территории с высоким стоянием грунтовых вод характерны для шестисоточных участков, которые в советское время выдавались на землях, непригодных для сельскохозяйственного использования. В настоящее же время покупателям предлагаются земли, выведенные из фондов колхозов и совхозов. Такие земли характеризуются благоприятным водным режимом. По этой же причине чаще всего приходится рассматривать ситуацию периодического подтопления земель, вызванного изменением уровня верховодки в течение сезона. Это выражается в частности в появлении воды в подвале во время активного снеготаяния или затяжных дождей. Вред от периодического подтопления по своим разрушительным масштабам соизмерим с постоянным подтоплением грунтовыми водами, так как владелец участка часто не подозревает о наличии верховодки и благоустраивает территорию.



Список литературы

грунтовый водоносный эрозийный минерализация

1. Брокгауза Ф.А., Ефрона И.А. Энциклопедический словарь-- С.-Пб.: Брокгауз-Ефрон. 1890--1907.

2. Всеволожский В.А. Основы гидрогеологии. изд.2, МГУ, 2007. - 440 с.

3. Геологический словарь. М.: Недра, 1978. -- Т. 1. - 487 с.

4. Грунтовые воды в большой советской энциклопедии (БСЭ).

5. Давыдов Л.К., Дмитриева А.А., Конкина Н.Г. Общая гидрология. - Гидрометеоиздат-Ленинград, 1973. - 462 с.

6. Зайцев И.К. Гидрогеохимия. Л.: Недра, 1986. - 239 с.

7. Ланге О.К. Гидрогеология. М.: Высшая школа, 1969. - 365 с.

8. Лебедев А.В, Ярцева Е.Н. Оценка питания и баланса грунтовых вод. М.: Недра, 1967. - 171 с.

9. Ломтадзе В.Д. Словарь по инженерной геологии. Санкт-Петербургский горный ин-т СПб, 1999. - 360 с.

10. Михайлов В.Н., Добровольский А.Д., Добролюбов С.А. Гидрология. М. : Высшая школа, 2008. - 463 с.

11. Основы гидрогеологии. Гидродинамика. Новосибирск: Наука, 1983. -

239 с.

12. Почвенно-геологические условия Нечерноземья. М.: Изд-во МГУ, 1984. - 607 с.

13. Справочное руководство гидрогеолога. Т. 1. Л.: Недра, 1979. - 365 с.

14. Шестаков В.М., Поздняков С.П. Геогидрология. М.: Академкнига, 2003. - 176 с.

Размещено на Allbest.ru