Гидрология подземных вод

К подземным водам как объекту изучения гидрологией относятся воды, содержащиеся в земной коре и активно участвующие в круговороте воды на земном шаре, т.е. взаимодействующие с атмосферой и поверхностными водами.

Основной источник формирования подземных вод – атмосферные осадки (тающий снег и дожди), которые поступают в верхний слой грунта в результате инфильтрации (впитывания). При обильном поступлении воды она заполняет все пустоты в грунте. По трещинам, ходам животных, отверстиям от сгнивших корней растений, относительно крупным порам (т.е. промежуткам между частицами грунта) вода перемещается вниз под влиянием силы тяжести – это гравитационная вода. Она достигает водоупорного слоя (чаще всего глинистые отложения), накапливаясь здесь, образует водоносный горизонт, т.е. слой водопроницаемого пласта, насыщенного водой, которая движется по поверхности водоупора в сторону его уклона под влиянием силы тяжести. Там, где отрицательные формы рельефа (речные долины, овраги, озерные котловины) вскрывают водоносный горизонт, подземные воды выходят на поверхность в виде родников или рассредоточенного высачивания на участке склона. Подземные воды, образовавшиеся над первым от поверхности водоупором, называются грунтовыми водами (рис. 9 ).

При определенном геологическом строении грунтовые воды до выхода на поверхность перекрываются другим водоупором, затем вторым и.т.д. Воды, перекрытые сверху водоупорными слоями, называются межпластовыми подземными водами. Питание этих вод осуществляется на участках, где соответствующий водоносный горизонт не перекрыт сверху водоупором. Для межпластовых вод характерно возникновение напора, вследствие которого вода при вскрытии водоносного горизонта буровой скважиной или по естественным трещинам поднимается вверх. Уровень, до которого поднимается вода, называется пьезометрическим уровнем. Превышение этого уровня над уровнем воды в водоносном горизонте называется высотой напора.

Рис.9 Схема соотношения различных типов подземных вод.

1 - водопроницаемая порода. 2 - водоупорная порода, 3 - грунтовые воды,

4 - межпластовые безнапорные воды, 5 - межпластовые напорные воды.

Подъем воды под действием напора может достигать земной поверхности. Особенно это свойственно артезианским водам, приуроченным к геологическим структурам синклинального типа – артезианским бассейнам (рис.10).

Рис.10 Схема строения артезианского бассейна.

1 - водонепроницаемые породы; 2 - напорный водоносный слой; 3,4 -скважины; 5 - направление потока; ВС - пьезометрический уровень, BNC — нижняя поверхность водоупорной кровли, Н₁, Н₂ — высота напора.

Между водоносными горизонтами обычно существует связь вследствие циркуляции воды по трещинам в водоупорах или путем медленного просачивания через них по порам.

Подземные воды, приуроченные к водоносным горизонтам в пластах осадочных пород, называются пластовыми водами. В горных породах подземные воды чаще перемещаются по системе трещин в породах (трещинные воды), по изолированным трещинам или жилам с повышенной трещиноватостью (жильные воды), по карстовым пустотам (карстовые воды).

В зоне распространения многолетнемерзлых пород различают подмерзлотные воды, залегающие под толщей мерзлых пород, межмерзлотные воды внутри мерзлой толщи и надмерзлотные воды, для которых мерзлые породы служат водоупором.

Грунтовые и тем более межпластовые воды существуют, как правило, в течение всего года и обеспечивают постоянное питание рек. В зоне распространения многолетнемерзлых пород это относится только к подмерзлотным водам.

Отношение объема всех пустот к объему образца грунта называется скважинностью, а объема пор (V_пор) к объему грунта (V_гр) называется пористостью (р): p = V_пор / V_гр. Обычно они выражаются в %. Пористость песка в среднем 40%, глины – около 50%.

Верхний слой грунта после прекращения таяния снега или дождя постепенно освобождается от гравитационной воды. По возникшим пустотам циркулирует воздух. Слой грунта (верхняя часть которого является почвой) до уровня грунтовых вод называют зоной аэрации. В этой зоне остаются следующие типы вод:

–капиллярная вода, заполняющая поры и находящаяся под влиянием капиллярных сил; в нижней части зоны аэрации вода, поднимаясь по порам над слоем грунтовых вод, образуют зону капиллярного поднятия (капиллярную кайму) толщиной от 0 (гравий, галька) до 6-12м. (глина);

–пленочная вода, образующая тонкую пленку вокруг частиц грунта и сравнительно слабо связанная с ними молекулярными силами; перемещается от мест с большей толщиной пленки к местам с меньшей ее толщиной (рис. 11);

–гигроскопическая вода, прочно связанная с частицами грунта молекулярными силами.

Способность грунта вмещать и удерживать определенное количество воды называется влагоемкостью грунта. Полная влагоемкость – суммарное содержание в грунте всех видов воды при полном заполнении всех пор, выраженная в процентах от массы высушенного образца грунта. Наименьшая (или полевая) влагоемкость – вода,остающаяся в грунте после стекания гравитационной воды (для песков 3-5%, суглинков и глин 12-22%). Влажность грунта — фактическое содержание воды в грунте, выраженное в виде толщины слоя (в мм) или в процентах от массы сухого грунта.

Рис.11 Схема различных состояний воды в почве (по А. Ф. Лебедеву).

1 - частицы почвы с неполной гигроскопичностью; 2 - частицы почвы с максимальной гигроскопичностью; 3, 4 - частицы почвы с пле­ночной водой; 5 - частицы почвы с гравитационной водой.

Воды зоны аэрации, оставшиеся в порах грунта, постепенно расходуются на испарение, в основном путем транспирации растений.

Временные скопления гравитационных вод, в зоне аэрации могут возникать над отдельными линзами водоупорных пород (верховодка) и над относительным водоупором, например, над иллювиальным горизонтом подзолистых почв, водопроницаемость которого значительно меньше вышележащих слоев. Перемещение воды по относительному водоупору в сторону его уклона образует почвенный, или внутрипочвенный сток.

Подземные воды могут формироваться в результате инфильтрации в грунт не только атмосферных осадков, но и воды из поверхностных водных объектов. Оба эти вида вод называются инфильтрационными подземными водами. Подземные воды могут формироваться также вследствие конденсации водяного пара в порах грунта. Это конденсационные воды, играющие заметную роль в пустынях. Все перечисленные виды подземных вод являются экзогенными. К эндогенным относятся воды, образующиеся из паров магмы – дегидрационные воды.

Глубина распространения межпластовых подземных вод, участвующих в круговороте воды на земле, достигает, как правило, нескольких сотен метров. Глубина залегания грунтовых вод, сильно изменяясь по территории в зависимости от локальных условий в целом, подчинена закону географической зональности, увеличиваясь от долей метра в зоне тундр до десятков метров в степной зоне.

Дата добавления: 2014-11-16