История развития динамики подземных вод реферат
Обновлено: 02.07.2024
Цель работы – рассмотрение процесса формирования подземных вод, выделение типов подземных вод по условиям их залегания, анализ химического состава и источников подземных вод, определение практического значения использования подземных вод.
Содержание
Работа содержит 1 файл
ИТОГ.doc
Российский Университет Дружбы народов
КУРСОВАЯ РАБОТА
Студенка 1 курса 101 группы
Геологическая деятельность подземных вод…………………………………. 4
- Водопроницаемость пород…..……………………………………………….6
- Виды воды в горных породах……..…………………………………………8
- Происхождение подземных вод…. ………………..……………………….9
- Типы подземных вод по условиям их залегания. …………….………….11
- Безнапорные подземные воды…………………….…………………12
- Напорные подземные воды…………………………………………..14
Список используемой литературы и электронных ресурсов………. …….22
Цель работы – рассмотрение процесса формирования подземных вод, выделение типов подземных вод по условиям их залегания, анализ химического состава и источников подземных вод, определение практического значения использования подземных вод.
Вода, являясь одним из самых распространенных веществ в природе, представляет собой уникальное соединение, благодаря которому на Земле зародилась и существует такое явление, как Жизнь, все то, что мы называем биосферой. Все природные воды теснейшим образом взаимосвязаны и образуют гидросферу, сплошную водную оболочку Земли. Гидросфера — динамичная система, в которой между водными массами всех оболочек Земли поддерживается динамическое равновесие. С участием воды совершается кругооборот веществ и энергии в природе.
Актуальность темы определяется тем, что именно в эпоху интенсивного развития производительных сил страны и потребления ресурсов подземных вод чрезвычайно большое значение приобретают вопросы их рациональной эксплуатации и использования, охраны от истощения и загрязнения, а также борьбы с безвозвратными потерями.
Рассматривая окружающую среду как материальную систему человек – природа – техника, в которой составляющие компоненты находятся во взаимодействии, нетрудно заметить, что подземные воды в ней играют весьма важную роль, особенно в тех случаях, когда под влиянием крупного водохозяйственного строительства происходит коренное преобразование природных условий. В этих преобразованиях подземные воды нередко представляют собой главную составную часть природной среды [4].
Задачи исследования:
- рассмотреть процесс формирования подземных вод
- разобрать типы подземных вод по условиям их залегания
- проанализировать химический состав и источники подземных вод
- определить практическое значение использования подземных вод
Гидрогеология — наука, изучающая происхождение, условия залегания, состав и закономерности движений подземных вод. Также изучается взаимодействие подземных вод с горными породам, поверхностными водами и атмосферой.
Накопление знаний о подземных водах, начавшееся с древнейших времен, ускорилось с появлением городов и поливного земледелия. В частности, свою лепту внесло сооружение копаных колодцев, строившихся в 2-3 тыс. до н. э. в Египте, Средней Азии, Китае и Индии и достигавших глубин в несколько десятков метров.
Первые представления о свойствах и происхождении природных вод, условиях их накопления и круговороте воды на Земле были описаны в работах древнегреческих ученых Фалеса и Аристотеля, а также древнеримских Тита Лукреция Кара и Витрувия. Изучению подземных вод способствовало расширение работ, связанных с водоснабжением в Египте, Израиле, Греции и Римской империи. Возникло понятия о ненапорных, напорных и самоизливающихся водах. Последние получили в 12 веке н. э. название артезианских — от названия провинции Артуа (древнее название — Артезия) во Франции.
Геологическая деятельность подземных вод
Все воды земной коры, находящиеся ниже поверхности Земли в горных породах в газообразном, жидком и твёрдом состояниях, называются подземными водами. Они составляют часть гидросферы – водной оболочки земного шара. Они встречаются в буровых скважинах на глубине до нескольких километров.
Под влиянием солнечной энергии с поверхности Мирового океана испаряется в среднем около 450,0 тыс. км 3 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 [3].
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 (рис. 1) [6].
Рис. 1 Схема круговорота 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.
На долю подземных вод приходится 23,4 млн км 3 , или 1,69% от общего объема гидросферы, остальное — воды рек, озер и ледников . Более 98% всех водных ресурсов Земли составляют соленые воды океанов, морей и др. Общий объем пресных вод на Земле равен 28,25 млн км 3 , или около 2% общего объема гидросферы. Основная часть пресных вод сосредоточена в ледниках, воды которых пока используются очень мало. На долю остальной части пресных вод, пригодных для водоснабжения, приходится 4,2 млн км 3 воды, или всего лишь 0,3% объема гидросферы (табл. 1) [7].
Табл. 1 Распределение вод на Земле.
Части гидросферы Площадь распространения, тыс. км 2 Объем воды, тыс. км 3 Доля от общих мировых запасов воды, % Мировой океан 361 300 1 138 500 96,53 Ледники и снега (полярные и горные области) 16 227 24 064 1,74 Подземные воды 134 800 23 400 1,69 Подземные льды в зоне вечной мерзлоты 21000 300 0,023 Озера 2058 176 0,014 Почвенная влага 82 000 16,5 0,001 Пары атмосферы 510 000 12,9 0,001 Болота 2 682 11,4 0,0007 Речные воды 148 800 2,1 0,0002 Водопроницаемость пород
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
- водонепроницаемые (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 способность 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. (рис. 2) [8].
Рис. 2. Характер водопроницаемости пород
А - пористые породы; Б - трещиноватые породы; В - размеры водопроводящих трещин; Г - размеры и плотность расположения зерен в пористых породах; 1- водонепроницаемые породы, 2- породы, насыщенные водой.
Количество воды, просочившийся в грунт, зависит не только от его физических свойств, но и от количества атмосферных осадков, наклона местности и растительного покрова. При этом длительный моросящий дождь создаёт лучшие условия для просачивания, нежели обильный ливень.
Крутые склоны местности увеличивают поверхностный сток и уменьшают просачивание атмосферных осадков в грунт, а пологие, наоборот, увеличивают просачивание. Растительный покров увеличивает испарение выпавшей влаги, но, в то же время задерживает поверхностный сток, что способствует просачиванию влаги в грунт [4].
Наибольшая водопроницаемость наблюдается в галечниках, гравийниках, крупнозернистых песках и сильно трещиноватых пористых породах с многочисленными пустотами. Пористость горных пород зависит: от формы и расположения составляющих зерен; степени их отсортированности; силы цементации и уплотнения; степени выщелоченности и наличия пустот; характера и степени трещиноватости и наличия разрывов.
Горные породы земной коры всегда в той или иной мере насыщены водами и содержат различные ее виды и количества (табл. 2) [9].
Классификация подземных вод. 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. Инженерно-геологические изыскания. Составление прогноза возможных изменений инженерно-геологических условий в сфере взаимодействия проектируемых объектов с геологической средой.
Файлы: 1 файл
Динамика подземных вод.docx
- Динамика подземных вод- отрасль гидрогеологии, рассматривающая теоретические основы и методы изучения количественных закономерностей режима и баланса подземных вод. Hеразрывно связана с гидравликой и гидромеханикой. Важное значение для изучения загрязнения подземных вод, обоснования гидрогеохимических методов поисков полезных ископаемых приобретает новое направление, изучающее физико-химические процессы, происходящие при взаимодействии подземных вод с вмещающими их горными породами. Подземные воды Подземными считаются все воды земной коры, находящиеся ниже поверхности Земли в горных породах в газообразном, жидком и твердом состояниях. Подземные воды составляют часть гидросферы — водной оболочки земного шара. Запасы пресной воды в недрах Земли составляют до 1/3 вод Мирового океана. 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.
Выделяется четыре типа подземных вод: верховодка, грунтовые, напорные (артезианские) и подземные воды вечной мерзлоты.
- По условиям залегания: поровые, пластовые, трещинные.
- В зависимости от степени минерализации: пресные, соленые, солоноватые и рассолы.
- По температуре: переохлажденные, холодные и термальные.
- В зависимости от качества: технические и питьевые.
Верховодка и грунтовые воды. Верховодка — подземные воды, залегающие вблизи поверхности земли и отличающиеся непостоянством распространения и дебита. Верховодка приурочена к первому от поверхности земли водоупорному пласту и занимает ограниченные территории. Верховодка существует в период достаточного увлажнения, а в засушливое время исчезает. К верховодке также нередко относят почвенные воды, или воды почвенного слоя, представленные почти связанной водой, где капельно-жидкая вода присутствует только в период избыточного увлажнения.
Воды верховодки обычно пресные, слабоминерализованные, но часто бывают загрязнены органическими веществами и содержат повышенные количества железа и кремнекислоты. Как правило, верховодка не может служить хорошим источником водоснабжения. Однако при необходимости принимаются меры для искусственного сохранения этого типа вод: устраивают пруды, отводы из рек, обеспечивающие постоянным питанием эксплуатируемые колодцы, насаждения растительности или задерживающие снеготаяние.
Грунтовыми водами называются воды, залегающие на первом водоупорном горизонте ниже верховодки. Грунтовые воды могут накапливаться как в рыхлых пористых породах, так и в твердых трещиноватых коллекторах. Уровень грунтовых вод подвержен постоянным колебаниям, на него влияют количество и качество выпадающих осадков, климат, рельеф, наличие растительного покрова и хозяйственная деятельность человека. Грунтовые воды являются одним из источников водоснабжения, выходы подземных вод на поверхность называются родниками, или ключами.
Артезианские воды. Напорные (артезианские) воды — воды, которые находятся в водоносном слое, заключенном между водоупорными слоями, и испытывают гидростатическое давление, обусловленное разностью уровней в месте питания и выхода воды на поверхность. Характеризуются постоянством дебита. Область питания у артезианских вод, размеры бассейнов которых достигают иногда тысячи километров, лежит обычно выше области стока воды и выше выхода напорных вод на поверхность Земли. Области питания артезианских бассейнов иногда значительно удалены от мест извлечения воды.
- Грунт (нем. grund — основа, почва) — любые горные породы, почвы, осадки, техногенные (антропогенные) образования, представляющие собой многокомпонентные, динамичные системы, являющиеся компонентами геологической среды и объектом инженерно-хозяйственной деятельности человека. Различают:
- скальные и полускальные грунты — монолитные грунты с жесткими структурными связями;
- дисперсные грунты — раздельнозернистые грунты без жестких структурных связей: связные - глинистые, и несвязные - песчаные и крупнообломочные.
Грунты могут быть использованы в качестве оснований зданий и различных инженерных сооружений, материала для сооружений (дорог, насыпей, плотин), среды для размещения подземных сооружений (тоннелей, трубопроводов, хранилищ) и др.
Грунты изучаются в грунтоведен ии
Грунт скальный — грунт, состоящий из кристаллитов одного или нескольких минералов, имеющих жесткие структурные связи кристаллизационного типа.
Грунт полускальный — грунт, состоящий из одного или нескольких минералов, имеющих жесткие структурные связи цементационного типа.
Грунт дисперсный — грунт, состоящий из отдельных минеральных частиц (зерен) разного размера, слабосвязанных друг с другом; образуется в результате выветривания скальных грунтов с последующей транспортировкой продуктов выветривания водным или эоловым путем и их отложения.
Классификация грунтов включает следующие таксономические единицы, выделяемые по группам признаков:
- класс — по общему характеру структурных связей;
- группа — по характеру структурных связей (с учетом их прочности);
- подгруппа — по происхождению и условиям образования;
- тип — по вещественному составу;
- вид — по наименованию грунтов (с учетом размеров частиц и показателей свойств);
- разновидности — по количественным показателям вещественного состава, свойств и структуры грунтов.
КЛАССЫ:подразделяемые на группы, подгруппы, типы, виды и разновидности.
- Класс природных скальных грунтов — грунты с жесткими структурными связями (кристаллизационными и цементационными)
- Класс природных дисперсных грунтов — грунты с водноколлоидными и механическими структурными связями.
- Класс природных мерзлых грунтов [2] — грунты с криогенными структурными связями.
- Класс техногенных (скальных, дисперсных и мерзлых) грунтов — грунты с различными структурными связями, образованными в результате деятельности человека.
- сбор и обработка материалов;
- маршрутные наблюдения;
- бурение инженерно-геологических скважин;
- геодезическая съемка участка и привязка скважин;
- геофизические исследования;
- полевые исследования грунтов (статическое зондирование, динамическое зондирование, штамповые испытания);
- гидрогеологические наблюдения;
- лабораторные исследования свойств грунтов и химический анализ подземных вод;
- камеральная обработка собранных материалов;
- составление прогноза изменений инженерно-геологических условий;
- оценка опасности и риска от геологических и инженерно-геологических процессов;
- составление технического заключения по инженерно-геологическим условиям территории;
- Согласование технического отчета с городскими инспектирующими организациями
- Состав инженерно-геологических изысканий
- получение разрешения на проведение инженерно-геологических изысканий;
- бурение инженерно-геологических скважин;
- статическое зондирование грунтов;
- лабораторные работы;
- камеральная обработка результатов полевых и лабораторных работ, составление технического отчета (Заключения) об инженерно-геологических;
- проведение экспертизы технического отчета
- Грунт — горные породы, почвы, техногенные образования, представляющие собой многокомпонентную и многообразную геологическую систему и являющиеся объектом инженерно-хозяйственной деятельности человека.
Песчаные грунты состоят из минеральных зерен различной крупности (размером от 2 до 0,05 мм), представляющих продукт механического разрушения (измельчения) горных пород.
Основными характеристиками песчаных грунтов,
определяющими их строительные свойства и несущую способность основания, являются: крупность зерен, плотность и влажность. Эти характеристики, как правило, определяются в лабораторных условиях при испытании образцов, взятых на строительной площадке в их естественном залегании, т. е. с ненарушенной структурой и естественной влажностью.
Крупность зерен грунта характеризуется гранулометрическим составом — отношением объемов песка различной крупности в единице объема. По нормам строительного проектирования различают песок гравелистый, крупный, средней крупности, мелкий и пылеватый.
Плотность грунта оценивается коэффициентом пористости. По степени пористости песок бывает плотный, средней плотности и рыхлый.
Влажность грунта характеризуется коэффициентом влажности. По степени влажности различают песок маловлажный, очень влажный и насыщенный водой.Указанные характеристики оказывают влияние на строительные свойства грунтов и на несущую способность основания. Трамбование песка проводят одновременно с поливкой его водой, которая возможна лишь при условии, что подстилающий слой грунта водопроницаем. .
Глинистые грунты являются
продуктом химического разрушения горных пород. В чистом виде глина встречается в природе весьма редко. В большинстве случаев глинистые грунты представляют собой механическую смесь глинистых (чешуйчатых) и песчаных (зернистых) частиц. Причем, в зависимости от количественного их содержания, различают такие виды глинистых грунтов, как глина, суглинок и супесь.
Глинистые грунты, в отличие от песчаных, по консистенции (в зависимости от количества содержащейся в них воды) подразделяются на твердые, пластичные и текучие.
Основным свойством глинистых грунтов
определяющим их несущую способность, является пластичность. Каждый вид глинистого грунта имеет две границы пластичности. Верхняя граница пластичности — это граница перехода грунта из твердого состояния в пластичное, который совершается при минимальном проценте влажности грунта. Нижняя граница пластичности — это граница перехода грунта из пластичного состояния в текучее, совершающегося при максимальном проценте влажности грунта. Разность влажностей между верхней и нижней границами пластичности -представляет число пластичности.
Так как песок не пластичен, а глина обладает большой пластичностью, то по числу пластичности определяют вид глинистого грунта и содержание в нем песка. Так, например, если природная влажность грунта равна 36%, влажность нижней границы пластичности — 52%, верхней—30% и число пластичности 52—30 = 22%, то это указывает, что, во-первых, грунт принадлежит к виду глинистых, так как число пластичности 22 > 17, и во-вторых, глина находится в пластичном состоянии, так как природная влажность ее — между верхней и нижней границами пластичности (52 > 36 > 30).
Инженерно-геологические изыскания
Инженерно-геологические изыскания обеспечивают комплексное изучение инженерно-геологических условий района проектируемого строительства, включая рельеф, геологическое строение, сейсмотектонические, геоморфологические и гидрогеологические условия, состав, состояние и свойства грунтов, геологические и инженерно-геологические процессы, и составление прогноза возможных изменений инженерно- геологических условий в сфере взаимодействия проектируемых объектов с геологической средой.
Выполнение инженерно- геологических изысканий
Проведение инженерно- геологических изысканий включает следующие виды работ:
Грунты могут служить:
1) материалом основании зданий и сооружений;
2) средой для размещения в них сооружений;
3) материалом самого сооружения.
Грунт скальный — грунт, состоящий из кристаллитов одного или нескольких минералов, имеющих жесткие структурные связи кристаллизационного типа.
Гидросфера – водная оболочка нашей планеты Земли. В настоящее время гидросфера охвачена невиданными по скорости и размерам преобразованиями, связанными с технической деятельностью человека.
Гидросфера играет очень большую роль в жизни планеты: она накапливает солнечное тепло и перераспределяет его на Земле; с Мирового океана на сушу поступают атмосферные осадки.
Общий объём воды на земном шаре 1390 млн. км3, основная его часть приходится на моря и океаны – 96,4 %. На суше наибольшее количество воды содержат ледники и постоянные снега – около 1,86 % (при этом в горных ледниках – 0,2 %). Около 1,7 % от общего объёма гидросферы приходится на подземные воды и примерно 0,02 % – на воды суши (реки, озёра, болота, искусственные водоёмы). Пресная вода составляет лишь 2,64 %. Изучением подземных вод занимается наука гидрогеология.Содержание
Введение…………………………………………………………………………4
1 Классификация подземных вод………………………………………………. 6
2 Процессы формирования подземных вод……………………………………10
3 Минеральные воды……………………………………………………………11
4 Роль подземных вод в формировании географической оболочки…………17
5 Биосферная роль подземных вод……………………………………………..20
6 Экономическое значение подземных вод……………………………………21
7 Проблема охраны и рационального использования подземных вод…….…23
8 Заключение…………………………………………………………………… 31
9 Список использованных источников……………………………………….Вложенные файлы: 1 файл
курсовая.docx
Министерство образования Республики Беларусь
«Гомельский государственный университет
Подземные воды как элемент географической оболочки Земли
студентка группы ГЭ-12 _________________ В.С. Кузьменко
экологии _________________ И.А. Шелякин
Курсовая работа 33 страницы, 20 источников.
Ключевые слова: гидросфера, гидрогеология, подземные воды, минеральные воды.
Объект исследования: географическая оболочка Земли
Предмет исследования: подземные воды как элемент географической оболочки Земли
Методы исследования: анализ литературных источников
Задачи курсовой работы:
– изучение классификации подземных вод
– изучение процессов формирования подземных вод
– определение роли подземных вод в формировании географической оболочки Земли
– определение биосферной роли подземных вод
– оценка экономического значения подземных вод
– изучение проблемы охраны и рационального использования подземных вод
Выводы: в ходе проделанной работы выяснилось, что подземные воды являются сложной составляющей географической оболочки. Некоторые подземные воды могут обладать лечебными свойствами.
Подземные воды играют немаловажную роль в формировании географической оболочки. Реки и подземные воды, перемещая минеральные вещества, участвуют в изменении рельефа.
Подземные воды питают реки и озера, благодаря им реки не мелеют летом, когда выпадает мало дождей, и не пересыхают подо льдом. Человек широко использует подземные воды. В настоящее время довольно остро стоит проблема охраны и рационального использования подземных вод, так как они находятся под угрозой загрязнения и истощения.
1 Классификация подземных вод………………………………………………. 6
2 Процессы формирования подземных вод……………………………………10
4 Роль подземных вод в формировании географической оболочки…………17
5 Биосферная роль подземных вод……………………………………………..20
6 Экономическое значение подземных вод……………………………………21
7 Проблема охраны и рационального использования подземных вод…….…23
9 Список использованных источников………………………………………. 33
Гидросфера – водная оболочка нашей планеты Земли. В настоящее время гидросфера охвачена невиданными по скорости и размерам преобразованиями, связанными с технической деятельностью человека.
Гидросфера играет очень большую роль в жизни планеты: она накапливает солнечное тепло и перераспределяет его на Земле; с Мирового океана на сушу поступают атмосферные осадки.
Общий объём воды на земном шаре 1390 млн. км 3 , основная его часть приходится на моря и океаны – 96,4 %. На суше наибольшее количество воды содержат ледники и постоянные снега – около 1,86 % (при этом в горных ледниках – 0,2 %). Около 1,7 % от общего объёма гидросферы приходится на подземные воды и примерно 0,02 % – на воды суши (реки, озёра, болота, искусственные водоёмы). Пресная вода составляет лишь 2,64 %. Изучением подземных вод занимается наука гидрогеология.
Гидрогеология (от гидро – вода и геология), согласно большинству существующих определений, является наукой, которая изучает подземные воды планеты: закономерности их распространения в земной коре, условия залегания и движения, их свойства и состав, взаимодействие с горными породами, а также условия и возможности их хозяйственного использования.
Более правильно считать, что гидрогеология как подразделение наук естественного цикла изучает подземную часть гидросферы планеты, законы ее строения и развития, процессы, протекающие в ней в естественных условиях и в условиях интенсивного антропогенного воздействия.
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 2000 о Сдиссоциированы 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.
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).
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 под 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.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.
– изучение подходов к классификации подземных вод
– изучение процессов формирования подземных вод
– изучение роли подземных вод в формировании географической оболочки
– изучение биосферной роли подземных вод
– изучение экономического значения подземных вод
– изучение проблем охраны и рационального использования подземных вод
Подземные воды, обладающие теми или иными лечебными свойствами, называются бальнеологическими.
Подземные воды, обладающие теми или иными лечебными свойствами, называются бальнеологическими.
До настоящего времени единой общепринятой классификации подземных вод не существует. В основу классификации подземных вод могут быть положены различные признаки: способ образования, условия залегания, гидравлические свойства, литологический состав водоносных пород, их возраст, физические свойства подземных вод, их химический состав.
По условиям образования подземные воды подразделяются на различные группы, из которых важнейшее значение имеют воды инфильтрационные и частично конденсационные.
По условиям залегания и характеру вмещающих горных пород подземные воды делятся на следующие типы:
– п о р о в ы е, залегающие и циркулирующие в порах горных пород, которые слагают самую поверхностную часть земной коры;
– п л а с т о в ы е, залегающие и циркулирующие в порах или трещинах осадочных горных пород, перекрываемых и подстилаемых водоупорными породами; в свою очередь подразделяются на порово- пластовые и трещинно-пластовые;
– т р е щ и н н ы е, циркулирующие в скальных (магматических, метаморфических и осадочных породах, пронизанных равномерной трещиноватостью;
– к а р с т о в ы е, циркулирующие в массивах карбонатных, гипсоносных и соленосных раскарстованных пород;
– т р е щ и н н о - ж и л ь н ы е, циркулирующие в отдельных тектонических трещинах и зонах тектонических разломов.
По гидравлическим свойствам подземные воды делятся на без напорные, или воды со свободной поверхностью, и напорные, когда водоносный горизонт перекрыт сверху водоупорной породой и находящаяся в нем подземная вода испытывает гидростатическое давление, обусловливающее напор.
В зависимости от возраста водовмещающих пород подземным водам присваивается соответствующее наименование: воды каменноугольных отложений, юрских, меловых, третичных и т. п.
По степени минерализации, или по содержанию растворенных солей, подземные воды подразделяются на следующие виды:
– пресные, содержащие до 1 г/ л растворенных веществ
– солоноватые, содержащие 1 —10 г/л солей
– соленые (10—50 г/л); 4) рассолы (свыше 50 г/л)
По температуре подземные воды подразделяются на четыре типа:
– холодные с температурой ниже 20° С
– т е п л ы е (20— 37° С)
– горячие (т е р м ы) с температурой свыше 42° С
В практике существенное значение при характеристике и оценке подземных вод имеет не только общее содержание растворенных солей, но и состав этих солей.
В зависимости от преобладания растворенных в воде солей различают воды гидрокарбонатные, сульфатные и хлоридные, а по катионам – кальциевые, магниевые и натриевые.
Помимо солей в подземных водах всегда содержатся различные газы – углекислота, азот, сероводород и др., часто имеющие большое практическое значение.
В зависимости от практической значимости растворенного в воде газа различают углекислые, сероводородные, радоновые и другие виды подземных вод.
В большинстве случаев подобные воды имеют лечебное значение (углекислые воды Кисловодска, сероводородные воды Мацесты, радоновые воды Цхалтубо и др.).
Подземные воды, обладающие теми или иными лечебными свойствами, называются бальнеологическими.
1.1 Жесткость подземных вод. Виды жесткости. Классификация подземных вод по величине общей жесткости.
Для пресной воды различают общую, временную и постоянную жесткость. Общая жесткость обусловлена содержанием в воде ионов кальция и магния. Временную жесткость придают воде карбонаты кальция и магния, осаждающиеся при кипячении воды в виде накипи.
Разность между общей и временной жесткостью называют постоянной жесткостью, она связана с присутствием сульфатов и галоидов кальция и магния. Жесткость принято выражать в миллиграммах-эквивалентах на литр.
1.2 Классификация вод по жесткости
Для пресной воды различают общую, временную и постоянную жесткость. Общая жесткость обусловлена содержанием в воде ионов кальция и магния. Временную жесткость придают воде карбонаты кальция и магния, осаждающиеся при кипячении воды в виде накипи.
Все воды, находящиеся в порах и трещинах горных пород ниже поверхности Земли, относятся к подземным водам. Часть этих вод свободно перемещается в верхней части земной коры под действием гравитационных сил, а другая часть находится в очень тонких порах, удерживаясь силами поверхностного натяжения. Подземные воды не могут существовать без обмена с водой поверхностной и активно участвуют в круговороте воды в природе. Все, что связано с подземной водной оболочкой, включая теоретические и, особенно, прикладные аспекты, изучает наука гидрогеология. В наше время непрерывно усиливающегося техногенного пресса на природную среду пресная вода стала важнейшим полезным ископаемым.
1. Виды воды в горных породах
Вода в горных породах содержится в нескольких различных видах.
1. Кристаллизационная вода находится в составе кристаллической решетки некоторых минералов, например, в гипсе – CaSO4*2H2O (~21% воды по массе), мирабилите Na2SO4*10H2O (~56% воды по массе). Если эти минералы нагревать, то вода высвобождается из кристаллической решетки. Так, гипс потеряет одну молекулу воды при +107°С, а вторую – при +170°С, после чего он превращается в ангидрит – CaSO4.
2. Вода в твердом виде встречается в многолетнемерзлых породах в виде кристаллов и прожилков льда. Также лед образуется и при сезонном промерзании воды, содержащейся в горных породах.
3. Вода в виде пара содержится в воздухе, который находится в порах горной породы.
4. Прочносвязанная вода располагается в виде молекулярной прерывистой пленки на поверхности мельчайших частиц таких пород, как глины и суглинки. Эта пленка удерживается силами молекулярного сцепления и не может стечь с поверхности частицы.
5. Рыхлосвязанная вода представляет собой более толстую пленку из нескольких слоев молекул воды на частицы породы. Эта вода обладает способностью перемещаться от более толстой пленке к менее толстой.
6. Капельно-жидкая (гравитационная) вода уже обладает способностью свободно перемещаться в горной породе по трещинам и порам под действием силы тяжести, начиная с верхнего почвенного слоя.
7. Капиллярная вода, как следует из названия, находится в тончайших капиллярных (лат. капилярис – волосяной) трубочках или порах, в которых удерживается силами поверхностного натяжения с образованием менисков. Капиллярная вода обычно располагается выше уровня грунтовых вод и при этом она может подниматься подтягиваясь вверх от этого уровня на 1,5 – 3 м. Капиллярная кайма, будучи связана с уровнем грунтовых вод, колеблется вместе с ним.
Выше уровня грунтовых вод может располагаться еще одна неширокая кайма капилярно-подвешенной воды, удерживаемой в тонких порах почвы и подпочвенных горизонтов суглинков и глин.
Подземные воды распределяются в верхней части земной коры вполне закономерно. Самая верхняя часть земной коры, вблизи поверхности, называют зоной аэрации, т.к. она связана с атмосферой и с почвенным покровом. Ниже нее залегает зона полного насыщения, где вода распространена преимущественно в жидком виде, тогда как в зоне аэрации она может быть и парообразной. Если температуры отрицательны, то вода в этих двух зонах может присутствовать и в виде льда.
Таким образом, зона аэрации представляет собой как бы переходный буферный слой между атмосферой и гидросферой. В зоне полного насыщения все поры заполнены капельно-жидкой водой и тогда образуется водоносный горизонт.
Однако горные породы в различной степени проницаемы для воды, что зависит от ряда факторов. Следует подчеркнуть, что пористость и проницаемость не одно и тоже.
Горные породы подразделяются на:
1. Водопроницаемые – песок, гравий, галечники, конгломераты, трещиноватые песчаники, доломиты, закарстованные известняки и др. и это несмотря на то, что галечники, прекрасно проницаемые для воды, имеют пористость всего 20%. Пески обладают пористостью в 30-35%.
2. К слабопроницаемым породам относятся супеси, легкие суглинки, лёссы.
3. Водоупорными считаются всевозможные глины, тяжелые суглинки, плотные сцементированные породы (табл.1).
Прочность и проницаемость горных пород
Глины имеют пористость в 50-60%. Все дело в том, что поры в глинах очень тонкие (субкапиллярные) и вода через них не может проникнуть, т.к. задерживается силами поверхностного напряжения. Водопроницаемость зависит не от количества пор, а от размера и формы слагающих породу зерен и от плотности их сложения.
Способность горных пород накапливать и удерживать в себе воду называется влагоемкостью. Под полной влагоемкостью понимают такое состояние породы, в которой все виды пор заполнены водой. Максимальная молекулярная влагоемкость – это то количество воды, которое остается в горной породе после того, как стечет вся капельно-жидкая гравитационная вода. Оставшаяся вода удерживается в порах силами молекулярного сцепления и поверхностного натяжения. Разница между полной влагоемкостью и максимальной молекулярной влагоемкостью называется водоотдачей, а удельной водоотдачей – количество воды, получаемой из 1 м 3 горной породы.
Классифицировать подземные воды можно по разным признакам – по условиям залегания, по происхождению, по химическому составу.
Типы подземных вод по условиям залегания. Выделяются воды безнапорные, подразделяющиеся на верховодку, грунтовые и межпластовые, а также напорные или артезианские.
Верховодка – это временное скопление воды в близповерхностном слое в пределах зоны аэрации, располагающееся в водоносных отложениях, лежащих на линзовидном, выклинивающемся водоупоре. Как правило, верховодка появляется весной, когда тают снега или в дождливое время, но потом она может исчезнуть. Поэтому колодцы, выкопанные до верховодки, летом пересыхают.
Временными водоупорами могут быть любые выклинивающиеся линзовидные пласты глин и тяжелых суглинков, располагающиеся в толще водоносных аллювиальных или флювиогляциальных отложений.
Грунтовые воды представляют собой первый сверху постоянный водоносный горизонт, располагающийся на первом же протяженном водоупорном слое. Питаются грунтовые воды из области водосбора в пределах водоносного горизонта. Грунтовые воды могут быть связаны с любыми породами как рыхлыми, так и твердыми, но трещиноватыми.
Поверхность грунтовых вод называется зеркалом, а мощность водосодержащего слоя оценивается вертикалью от зеркала до кровли водоупорного горизонта и она не остается постоянной, а меняется из-за неровностей рельефа, положения уровня разгрузки, количества атмосферных осадков, изгиба кровли водоупорного слоя. Выше зеркала грунтовых вод образуется кайма капиллярно подтянутой воды.
2. Движение и режим грунтовых вод
Зеркало грунтовых вод ведет себя в зависимости от рельефа повышаясь на водоразделах и понижаясь к рекам, оврагам и другим местам дренирования (фр. дренаж – сток). Естественно, что вода в водоносном слое под действием силы тяжести находится в непрерывном движении и стремится достичь наиболее низкого места в рельефе, например, уреза воды в реке, тальвега дна оврага. Именно там, в области разгрузки подземных вод, образуются родники. Вода в водоносном слое перемещается в зависимости от пористости пород, характера соприкосновения частиц, формы и размеров пор, уклона водоносного слоя. Обычно в песках скорость движения воды при небольших уклонах составляет от 0,5 до 2-3 м/сутки. Но если уклон большой и поры велики, то скорость может достигать первых десятков м/сутки.
В зависимости от количества атмосферных осадков объем грунтовых вод может изменяться и летом дебит (фр. дебит – расход) источников падает, а в сильные засухи родники даже пересыхают. Зеркало грунтовых вод особенно сильно может понижаться в связи с забором воды для промышленных нужд. Вокруг скважин, откачивающих воду, уровень грунтовых вод постепенно понижается и образуется депрессионная воронка.
Межпластовые безнапорные подземные воды приурочены к водоносным слоям, располагающимся между двумя водоупорными слоями. Иногда таких водоносных пластов может быть несколько. Если водоносный горизонт обладает большой мощностью и выше его зеркала находится озеро, пруд или река, то направление течения воды в водоносном горизонте будет проходить по изогнутым линиям, стремящимся к реке.
Напорные или артезианские межпластовые воды образуются в том случае, если водоносный горизонт, зажатый между двумя водоупорными, приурочен либо к пологой синклинали или мульде, или к моноклинали, или еще к каким-нибудь структурам, в которых возможно образование напорного градиента.
Напорный или гидравлический градиент:
Где h – превышение одной точки зеркала грунтовых вод над другой, а l – расстояние между ними. Напорные воды обладают способностью самоизливаться и фонтанировать, т.к. находятся под гидростатическим давлением.
Впервые такие фонтаны воды были получены во Франции в провинции Артезия, поэтому они и стали называться артезианскими. Каждый артезианский бассейн включает в себя области: питания, напора и разгрузки. Первая область представляет собой выход на поверхность водоносного слоя, на которую выпадают все атмосферные осадки, питающие этот водоносный горизонт. Область напора заключена между двумя водоупорами – водоупорной кровлей и водоупорным ложем, а там, где водоносный слой появляется на поверхности, или вскрывается скважинами, но ниже области питания, называется областью разгрузки. Нередко в артезианских бассейнах развито сразу несколько водоносных напорных горизонта, что особенно характерно для артезианских бассейнов в межгорных впадинах, где глубины водоносных горизонтов могут превышать 1000-1500 м.
В платформенных областях, где артезианские бассейны большие, верхние водоносные горизонты до глубин в 200-5—м содержат преимущественно пресные воды, а ниже воды обладают уже высокой минерализацией.
В центре Европейской части России находится Московский артезианский бассейн, располагающийся в пологой чашеобразной впадине – Московской синеклизе. Водоносные горизонты связаны с трещиноватыми каменноугольными и девонскими известняками, а водоупорами служат прослои глин. Области питания располагаются на крыльях синеклизы. В девонских карбонатных отложениях на глубинах от 400 до 600 м развиты минеральные воды с минерализацией 2,4-4,5 г/л. Это всем хорошо известная московская минеральная вода. В Московском артезианском бассейне сосредоточены большие запасы пресных и промышленных вод. На всю территорию России составлены карты распространения артезианских бассейнов и подсчитаны запасы в них воды, как пресной, так промышленной и термальной.
Типы источников. Всем хорошо известны выходы подземных вод на поверхность в виде родников и ключей с холодной, вкусной водой. Родники появляются там, где происходит разгрузка водоносных горизонтов.
Нисходящие источники чаще всего располагаются недалеко от уреза воды в долине реки, в нижней части склонов оврагов, там где к поверхности подходят водоупорные горизонты. Источники этого типа связаны как с верховодкой, так и с грунтовыми, а также межпластовыми водами. Все они характеризуются изменяющимся дебитом, вплоть до высыхания в жаркое лето. В источниках нисходящего типа вода изливается спокойно, в виду небольшого угла наклона слоев. Нередко можно наблюдать вдоль берега реки сплошную линию сочащихся подземных вод. Нисходящие источники обычно водообильны, поэтому местами они дают начало ручьям и небольшим речкам, как происходит с карстовыми источниками, вытекающими из пещер.
Восходящие источники — это выходы на поверхность в местах разгрузки напорных вод, тогда как сам водоносный горизонт расположен намного ниже. Вода может подниматься вверх по трещинам или тектоническому разлому.
Вокруг минеральных источников, особенно углекислых вод, на поверхности образуется скопление т.н. известкового туфа или травертина, иногда достигающего нескольких метров мощности. Такие травертины белого, желтоватого или розового цветов известны на г.Машук в Пятигорске, в районе Кавказских минеральных вод. Туф образуется из гидрокарбонатно-кальциевых вод, когда гидрокарбонат Ca(HCO3)2 переходит в СаСО3 при уходе в воздух СО2 – углекислого газа. В травертинах часто находят отпечатки листьев растений, кости древних животных, которые постепенно обвалакиваются известковым туфом.
3. Подземные воды и окружающая среда
Гидрогеологические процессы, происходящие в верхней части земной коры тесно связаны с хозяйственной деятельностью человека – водоснабжением, эксплуатацией городских агломераций, обоснованием строительства и т.д. Именно в области прикладной геологии очень важно понимать существо природно-технического взаимодействия, усиливающегося техногенного пресса на геологическую среду.
Одной из важных задач прикладной геологии является обоснование водозабора для хозяйственно-питьевого водоснабжения, а, сейчас, особенно, оценка качества воды. Какое количество воды можно извлечь из данного водоносного слоя? Как при этом изменится уровень грунтовых вод? Какова будет депрессионная воронка и как быстр она сформируется? Какова должна быть ширина зоны санитарной охраны? На все эти вопросы надо дать ответ.
В связи с отбором воды из водоносных горизонтов разного типа, изменяется водный режим ландшафтов, изменение растительности, поверхностный сток, напряженно-деформированное состояние водонасыщенных горных пород. Понижение уровня грунтовых вод приводит к угнетению лесов, к осушению и возгоранию летом торфяников, к уменьшению поверхностного водного стока и обмелению небольших рек, эвтрофикации мелеющих озер, оседанию отдельных участков земной поверхности. Поэтому необходим мониторинг влияния водоотбора на окружающую среду, а также геофильстрационное моделирование потока подземных вод.
Для многих городов характерно подтопление территорий, т.е. повышение уровня грунтовых вод за счет повышенной инфильтрации осадков, утечек промышленных вод, искусственного орошения. Такое подтопление вызывает усиление оползневых явлений, суффозии (вымывания), уменьшение прочностных свойств грунтов. Поэтому необходимо проводить дренаж, чтобы снизить уровень грунтовых вод.
Другая опасность – это техногенное загрязнение подземных вод из атмосферы в виде твердой и жидкой фаз, закачка промышленных стоков, утечки из систем канализации, свалки, нефтепродукты и другие способствуют проникновению токсичных веществ сначала в зону аэрации, а потом и в водоносные горизонты.
Все сказанное выше свидетельствует об уязвимости водоснабжения населения в связи с усиливающимся техногенным загрязнением. Существует еще много очень важных вопросов, касающихся прикладной гидрогеологии. Отсюда следует очевидный вывод о том поистине жизненном значении, которое приобретает наука о подземных водах.
Библиография
1. Киссин И.Г. Вода под землей. М., Наука, 1976.
2. Короновский Н.В. Общая геология. Издательство Московского университета, 2002.
3. Плотников Н.И. Подземные воды – наше богатство. М., Недра, 1976.
4. Пиннекер Е.В. Подземная гидросфера. Наука. Сиб. Отд., Новосибирск, 1984.
Читайте также:
- вид — по наименованию грунтов (с учетом размеров частиц и показателей свойств);
- тип — по вещественному составу;
- подгруппа — по происхождению и условиям образования;
- группа — по характеру структурных связей (с учетом их прочности);