Движение подземных вод. Закон фильтрации Дарси. Режим грунтовых вод

Классификация подземных вод по характеру залегания. Воды зоны аэрации и зоны насыщения. Напорные и безнапорные подземные воды. Артезианские бассейны.

Классификация по характеру залегания подземных вод разработали Ф.П. Саваренский, А.М. Овчинников, Е.В. Пинеккер и др.

Подземные воды на Земле, находящиеся в жидком состоянии могут быть прежде всего подразделены на

1. Подземные воды суши

2. Подземные воды под океанами и морями

Подземные воды суши можно разделить на подземные воды аэрации и зоны насыщения. Зона аэрации охватывает верхние, не насыщенные водой слои грунтов, включая почву от дневной поверхности до уровня грунтовых вод. Через эту зону осуществляется связь подземных вод с атмосферой. Зона насыщения характеризуется тем, что поры и пустоты в ее пределах полностью заполнены жидкой водой. Сверху эта зона ограничена зоной аэрации или зоной многолетнемерзлых грунтов, снизу – глубиной критических температур, при которых существование жидкой воды невозможно. В зоне насыщения на континентах находятся подземные воды трех типов – безнапорно грунтовые, напорные артезианские и глубинные.

По океанами и морями зона аэрации отсутствует, а в зоне насыщения присутствуют напорные воды.

Грунтовые воды, связаны с поверхностными водами и играют важную роль в питании этих объектов.

Подземные воды участвуют в круговороте воды: грунтовые воды – зона аэрации – атмосфера и грунтовые воды – поверхностные воды.

По характеру залегания подземные воды выделяют следующие виды подземных вод (сверху вниз): почвенные воды, верховодка – временные сезонные скопления подземных вод, капиллярная зона или кайма (эти три типа относятся к зоне аэрации), далее располагается уровень грунтовых вод (зеркало) и зона насыщения. В зоне насыщения поры всегда заполнены водой, в зоне аэрации – только после дождя.

Зона Аэрации.

В зоне А. происходит инфильтрация дождевых и талых вод, формирование почвенной воды и верховодки, фильтрация гравитационной воды и десукция влаги растительностью с последующей ее транспирацией.

Попадая после дождей или таяния снега в грунт, вода расходуется прежде всего на смачивание почвенного слоя и формирования почвенных вод, под которыми понимают временное скопление свободной и капиллярной воды в почвенной толще. Эти воды имеют связь с атмосферой и участвуют в питании растений.

Почвенные воды просачиваются в более глубокие слои и не образуют постоянного водоносного горизонта. Почвенный сток образуется только при сильных дождях и снеготаянии.

Инфильтрующиеся вертикально вниз под действием силы тяжести воды зоны аэрации, встречая на своем пути относительный водоупор образуют верховодку, т.е. временные, сезонные скопления подземных вод.

Почвенные воды и верховодка обычно пресные. Воды зоны аэрации легко подвержены загрязнению с поверхности земли.

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 6-12 м. (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;

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

При полном насыщении грунта могут сформироваться как безнапорные (грунтовые) так и напорные (артезианские) воды. Влажность грунта в обоих случаях достигает полной влагоемкости.

Грунтовые воды – подземные волы первого от поверхности постоянно существующего водоносного горизонта, залегающего на первом выдержанном по площади водоупорном пласте. Эти безнапорные гравитационные воды имеют свободную поверхность, называемую уровнем или зеркалом грунтовых вод.

Питание. Путем инфильтрации через зону аэрации атмосферных осадков, конденсации водяного пара и поглощения вод из водотоков и водоемов.

Разгрузка. Осуществляется в виде источников, фильтрацией в русло водотока или ложе водоема, путем испарения и перетекания в нижележащие водоносные горизонты.

Артезианские воды – напорные подземные воды, залегающие в водоносных горизонтах между водоупорными пластами. Залегают глубже горизонта грунтовых вож и имеют более стабильных режим.

Артезианским бассейном называют такие гидрогеологические структуры синклинального типа, которые содержат один или несколько водоносных горизонтов с напорными водами.

Движение подземных вод по порам в зоне насыщения, называемое фильтрацией, как правило, ламинарное. Скорость фильтрации (v_ф) выражается законом Дарси:

v_ф = К_ф·I

Здесь I - гидравлический уклон, равный либо уклону поверхности уровня безнапорных вод, либо уклону пьезометрического уровня для напорных вод; К_ф - коэффициент фильтрации, равный скорости фильтрации через данный грунт при I = 1 (т.е. вертикально вниз); его размерность м/с или м/сут. К_ф для галечника равен 100-200 м/сут., для песка 1-50, для супеси 0,1-0,5, для глины 0,001-0,0001 м/сут.

Движение трещинных, жильных и особенно карстовых подземных вод может быть турбулентным.

Уравнение водного баланса зоны аэрации в пределах речного бассейна:

x_инф + z_гр = y_почв + П_гр + z_з.а. ±∆u_з.а.

где х_инф — поступление воды с поверхности земли (инфильтрация атмосферных осад­ков), z_гр - испарение грунтовых вод, z_з.а. - испарение из зоны аэрации, П_гр - питание грунтовых вод из зоны аэрации, ∆и_гр — изменение влагозапасов вод зоны аэрации.

Уравнение водного баланса грунтовых вод (при отсутствии притока из-за преде­лов речного бассейна и фильтрации через водоупор):

П_гр = y_гр + z_гр ± ∆u_гр

где у_гр— сток грунтовых вод (т.е. разгрузка грунтовых вод на земную поверхность или непосредственно в реки и водоемы), ∆u - изменение запаса (объема) грунтовых вод.

Типы водного режима зоны аэрации:

1) промывной — х_инф >> z_з.а., избыток воды расходуется на П_гр и y_почв;

2) компенсированный - x_инф ≈ z_з.а.;

3) испарительный (выпотной) - х_инф << z_з.а., недостаток воды частично возмещает­ся за счет z_гр.

Типы водного режима грунтовых вод:

1) сезонного (преимущественно весеннего и осеннего) питания; максимальный уровень грунтовых вод весной, меньшее повышение осенью, низкий уровень в конце лета и особенно в конце зимы; наблюдается на большей части территории стран СНГ;

2) кратковременного летнего питания; максимальный уровень в июне — июле (иногда августе-сентябре); наблюдается в зоне многолетней мерзлоты;

3) круглогодичного, преимущественно зимне-весеннего питания; максимальный уровень в феврале-апреле, минимальный - в летне-осеннее время (юг и запад террито­рии бывшего СССР с непромерзаемой зоной аэрации).

Дата добавления: 2015-04-30