Лекция 4. Рассматриваемые вопросы:Роль и распределение подземных вод

Тема: Подземные воды.

Рассматриваемые вопросы: Роль и распределение подземных вод. Вода как пар. Физически связанная вода. Свободная вода. Свойства и движение воды различного типа. Химически связанная вода, их виды.

Вода под дневной поверхностью распространена повсеместно. Парообразная вода — находится в порах и пустотах пород и перемещается, главным образом под влия­нием разности упругостей пара из областей с большей упругостью в области с меньшей.

Гигроскопическая вода — это вода, адсорбированная ча­стицами породы из воздуха. При относительной влажности воз­духа в порах, близкой к насыщению, влажность породы достигает некоторого состояния, называемого максимальной гигроскопично­стью. Гигроскопическая и максимально гигроскопическая вода прочно связана с частицами минерального грунта. Диполи ее строго ориентированы к поверхности минеральных частиц. Коли­чество слоев молекул адсорбированной воды при максимальной гигроскопичности, по данным различных исследователей, варьи­рует в широких пределах.

Максимальная гигроскопичность увеличивается с увеличением суммарной поверхности частиц породы в единице объема, вот по­чему она в мелкозернистых грунтах больше, чем в крупнозерни­стых. Гигроскопическая вода перемещается из одних слоев в другие путем перехода в парообразное состояние. Она может быть от­делена от породы только нагреванием.

Пленочная вода — обволакивает частицы породы сверх мак­симальной гигроскопичности. Эта вода адсорбируется из жидкой фазы. Она менее прочно связана с минеральными частицами и относится к категории рыхлосвязанной. Растениями усваивается с трудом. Передвигается от частицы к частице под влиянием сорбционных сил.

Капиллярная вода — заполняет сравнительно мелкие поры породы. Она удерживается и передвигается в почво-грунтах под влиянием капиллярных (менисковых) сил из зоны большего увлаж­нения в зону меньшего увлажнения. Сила тяжести воды при этом (гидростатическое давление) играет под­чиненную роль, частично противодейст­вуя капиллярному подъему воды вверх и способствуя капиллярному передвижению вниз и по уклону. Различают капилляр­ную воду подпертую и подвешенную. В первом случае капилляры в нижней ча­сти соприкасаются с подземной водой

Гравитационная, или свободная, вода — заполняет не­капиллярные пустоты породы. Под влиянием силы тяжести проса­чивается в породе сверху вниз в виде отдельных струй (при не­полном насыщении породы) или фильтруется в толще насыщен­ной водой породы в направлении падения уровня подземных вод. Гравитационная вода передает гидростатический напор, под действием которого воды могут подниматься вверх, как в со­общающихся сосудах.

В твердом состоянии вода в породах встречается либо в составе мерзлых почв, либо в виде льда (пещерного, ископае­мого).

Внутриклеточная вода — содержится в неполностью раз­ложившихся остатках растений в почве. В большом количестве такая вода содержится в болотных почвах и особенно в торфах.

Различные формы воды в почвах и горных породах обычно присутствуют одновременно в многообразных сочетаниях в зави­симости от степени увлажненности, поступления и расходования влаги в тех или иных слоях земной коры. Значительная масса воды в почвах и горных породах находится в связанном состоянии. Связанная вода непосредственно не участвует в круговороте воды и не питает реки, озера, болота. Ее нельзя извлечь из почво-грунтов искусственным дренажем. Частично некоторые виды ее из верхних горизонтов используются растениями.

Химически связанная, или конституционная, вода — входит в молекулу вещества гидроксильной группой, например Fе₂О₃+ЗН₂О → 2Fе(ОН)₃. Удаление химически свя­занной воды при прокаливании сопровождается распадом мине­рала.

Кристаллизационная вода — является составной ча­стью многих минералов, например гипса (CaSO₄*2H₂O), и уда­ляется из породы нагреванием до 100-200°С или химическим путем.

Водно-физические константы.

1) Гранулометрический, или механический состав. Выделяют пять фракций: гравелистая, песчаная, пылевая, глинистая, коллоидно-дисперсная.

2) Наличие пустот в почво-грунте называют скважностью. Скважность слагается из мелких, капиллярных пустот и сравнительно крупных, некапиллярных. Первый вид скважности называется пористостью. Пористость характеризуется коэффициентом пористости. Это – отношение объема пустот в данном образце к объему всего образца.

3) Высота капиллярного поднятия. Чем меньше диаметр пор, тем выше поднятие влаги по капиллярам. В тяжелых глинах оно доходит до 10-12 м, в крупнозернистых песках – 2-3,5 см. При диаметре пустот свыше 2,5 мм капиллярного поднятия нет.

4) Удельный вес почво-грунта – плотность его твердой фазы (без пустот). Выражается в г/см³.

5) Объемный вес – вес единицы объема почво-грунта (с пустотами).

6) Водопроницаемость – способность почво-грунта пропускать воду. Горные породы делят на: водонепроницаемые, полупрницаемые, водонепроницаемые.

7) Влагоемкость – способность грунта вмещать и удерживать в порах то или иное количество воды. Выражается в процентах от веса или объема сухого почво-грунта или в мм слоя. Существует несколько видов влагоемкости – для разных ведов воды ы почво-грунте.

8) Влажность почво-грунта – содержание в нем воды в конкретных условиях. Выражается отношением веса воды в грунте к весу сухой части образца.

9) Водоотдача – способность насыщенного до полной влагоемкости грунта отдавать часть воды путем свободного стекания. Коэффициент водоотдачи – отношение объема стекающей воды к общему объему грунта.

10) Дефицит влаги – недостаток насыщения грунта до полного насыщения.

Изменение запасов воды в почвогрунтах зоны аэрации ΔМ определяется по данным - наблюдений за влажностью верхнего мет­рового слоя почвогрунтов на агрометеорологических станциях, а также на воднобалансовых станциях и пунктах опорной и мас­совой агроводнобалансовой сети. Запасы влаги в зоне аэрации ниже верхнего метрового слоя почвогрунтов обычно не изме­ряются. Наибольший интерес для расчетов текущих водных балан­сов представляют наблюдения за влажностью почвогрунтов на участках с естественными видами ландшафта (луг, целина, лес и т. д.), занимающих для большинства речных бассейнов преоб­ладающую часть площади водосбора. Однако такие наблюдения производятся сравнительно недавно и в небольшом числе пунктов, расположенных главным образом в наиболее освоенных сельскохозяйственных районах. На значительной части территории СНГ они не ведутся.

Влажность почвы на агрометеорологических станциях изме­ряется па участках, занятых под определенными сельскохозяйст­венными культурами, которые в соответствии с принятым типом севооборота выращиваются в разные годы на разных сельскохо­зяйственных полях. Данные измерений из-за неодинаковых водно-физических свойств почвогрунтов для разных полей не являются однородными и сравнимыми в многолетнем разрезе.

Расчет средних для водосборов значений влагозапасов с уче­том различия режима влажности для всех типов почв, видов есте­ственных угодий и сельскохозяйственных полей из-за недоста­точности исходной информации обычно не производится.

При составлении текущих водных балансов среднее взвешен­ное значение влагозапасов и их изменений определяется с учетом различия во влажности почвогрунтов только для леса, луга и сельскохозяйственных угодий (как среднее арифметическое из данных для всех полей).

Изменения запасов подземных вод. При составлении текущих водных балансов величины измене­ния запасов подземных вод ΔG определяются по данным уровенных наблюдений h в режимных гидрогеологических скважинах и значениям коэффициентов водоотдачи µ₁ или коэффициентов недостатка насыщения µ₂. Для однородных в гидрогеологическом отношении частей водосбора эти изменения при понижении уровня грунтовых вод рассчитываются по формуле

ΔG=µ₁ Δh (1)

а при повышении уровня подземных вод - по формуле

ΔG=µ₂ Δh (2)

В практике воднобалансовых расчетов обычно используются предельные значения указанных коэффициентов µ=µ₁=µ₂=const, которые приближенно принимаются равными разности полной и наименьшей влагоемкости почвогрунтов.

При отсутствии режимных гидрогеологических скважин уровни грунтовых вод приближенно могут быть измерены в колодцах бы­тового водопользования (в ранние утренние часы до начала изъятия воды на хозяйственные нужды). Для оценки изменений запасов подземных вод данные наблюдений пригодны лишь потом скважинам (или колодцам), которые отражают режим верхних безнапорных подземных вод и расположены вне зоны влияния речных вод. Данные наблюдений по скважинам, уровни которых повторяют (со сдвижкой во времени) ход изменений уровней реч­ных вод, не могут быть использованы при расчете изменений запа­сов грунтовых вод. Они пригодны для других целей, связанных с исследованием взаимосвязи речных и подземных вод и так называемого берегового регулирования речного стока.

Дата добавления: 2014-01-07