При продвижении с севера на юг увеличивается глубина залегания грунтовых вод и повышается степень их минерализации. В северных широтах, областях повышенного увлажнения грунтовые воды залегают близ поверхности земли, зачастую сливаясь с поверхностными водами и образуя болота. Минерализация всего лишь порядка 0,2–0,5 г/л. В средних широтах глубина залегания грунтовых вод увеличивается до 3–10 м. Воды пресные (менее 1 г/л). В степях, лесостепях– до 30 м (2–3 г/л). В аридном климате (пустынях) уровень грунтовых вод – до 70 м и более (более 10 г/л).
По комплексам пород вмещающих грунтовые воды выделяются такие основные типы – грунтовые воды аллювиальных (Q) отложений, грунтовые воды ледниковых отложений (Q) – таяние ледников, грунтовые воды горных областей и пр.
Артезианские (напорные) воды – это подземные воды, залегающие в водоносных пластах (горизонтах) между водоупорными слоями, находящиеся в первично сжатом состоянии и, соответственно, имеющие напор. В отличие от грунтовых (безнапорных) вод артезианские воды ограничены водоупорной кровлей пласта. (Первая артезианская скважина была пробурена в Париже в долине р. Сена (Артезия) в XIII веке). При вскрытии этих вод скважинами и колодцами, уровень воды поднимается выше кровли водоносного пласта, и могут изливаться на поверхность или фонтанировать.
Особенности артезианских вод:
– залегают глубже грунтовых вод;
– приурочены к водоносным горизонтам, ограниченным слоями водоупорных пород. Расстояние между кровлей и подошвой – мощность;
– область питания, как правило, не совпадает с областью их распространения;
– находятся в первично сжатом состоянии и при вскрытии их искусственными выработками образуют напор. Повышение (высота) уровня воды от кровли водоносного горизонта до установившегося уровня воды (в выработке) – пьезометрический напор. Установившийся уровень называют пьезометрическим уровнем;
– характеризуются стабильным режимом в отличие от грунтовых вод;
– образует сложную водонапорную систему (до 10 горизонтов).
Рис.18 Артезианские воды. 1 – водоупор (глина), 2 – водоносный пласт (песок), 3 - скважины, 4– область питания, 5 – пьезометрический уровень (область развития напора), Н – абсолютная отметка пьезометрического уровня, 6 – поверхность земли, Река – область разгрузки, m – мощность пласта (расстояние от кровли до подошвы).
По условиям залегания различают:
– артезианские бассейны,
– артезианские склоны,
– субартезианские склоны.
Артезианские бассейны – определяются синклинальным залеганием пластов и геологическими структурами (мульды, впадины), образующими понижения в рельефе водоносного горизонта.
В каждом артезианском бассейне можно выделить: область питания; область развития напора; область разгрузки.
Область питания – область, в которой артезианский водоносный горизонт выходит на поверхность, поэтому воды здесь имеют свободную поверхность и принципиально не отличаются от грунтовых вод. По мере погружения под водоупорные породы воды приобретают упругий режим и становятся напорными.
Область развития напора. При вскрытии (искусственными выработками) под влиянием упругого режима вода поднимается вверх на высоту пьезометрического напора. Установившийся уровень воды – пьезометрический уровень.
Область разгрузки (дренажа) – область выхода артезианского бассейна на поверхность земли или под толщу аллювиальных или делювиальных отложений (разъяснить) на абсолютных отметках ниже абсолютных отметок области питания в виде восходящих источников.
Высотное положение области питания и области разгрузки контролирует положение пьезометрического уровня данного водоносного горизонта.
Линии, соединяющие равные абсолютные отметки пьезометрических уровней – гидроизопьезы. Карты гидроизопьез помогают определить направление движения потока.
Режим артезианских вод по мере удаления от области питания становится все более постоянным во времени.
От строения артезианского бассейна, соотношения области питания и всей площади распространения зависит и химический состав этих вод. Если область питания достаточно велика, то наибольший объем в этой системе занимают пресные воды (происходит интенсивный водообмен). В крупных впадинах, область питания относительно невелика и здесь происходит накопление древних вод повышенной минерализации, вплоть до рассолов.
Наиболее типичные примеры крупнейших артезианских бассейнов.
Московский (300 тыс. кв. км), расположенный в пределах Подмосковной котловины (крупная синклинальная структура). Основной водоносный комплекс – С1-2.
Днепровско-Донецкий – Pg, K, J (350 тыс. км2).
Западносибирский – Mz, К (3 млн. км2).
Трещинные воды – это подземные воды, приуроченные к трещиноватым скальным породам различным по генезису. Как правило, это безнапорные или слабо напорные воды. Эти воды перемещаются по системе сопряженных трещин различных размеров, образовавшихся в горных породах под воздействием климата, тектоники, рельефа. В зависимости от этих причин образования трещинных зон выделяют: трещинные воды коры выветривания, трещинные воды контактных зон и тектонических нарушений, а также воды лито-генетических трещин.
Характер движения трещиноватых подземных вод. Как ни парадоксально, но оно ближе к ламинарному типу. Это важно, т.к. влияет на расчет параметров водоносного горизонта (водопритоки, дебиты и пр.).
Распространение – горно-складчатый Урал и Предуралье (частично).
Карстовые воды. Карст – это геологическое явление, связанное с воздействием воды (атмосферной и подземной) на определенные типы горных пород (известняки, доломиты, глины, соли) и приводящие их к постепенному растворению и разрушению. Вследствие этого процесса на поверхности образуются воронки, понижения, провалы, а под поверхностью земли пустоты, пещеры, огромные полости. В зависимости от горных пород подверженных выщелачиванию (растворению) выделяют карбонатный, гипсовый (сульфатный) и соляный карст. Карст развивается в растворимых породах при циркуляции в них воды, обладающей агрессивными свойствами и имеющей достаточную скорость движения.
Карстовые воды (трещинно-карстовые) – это воды карстующихся массивов горных пород, приуроченные к различному роду пустотам, образовавшимся в результате выщелачивающего действия поверхностных и подземных вод. Главная особенность карстовых вод – это быстрое поглощение поверхностных вод, резкие колебания уровней подземных карстовых вод и очень интенсивное их движение. Карстовые воды по скорости изменения уровня можно сравнить с горными реками, уровень которых, правда, вырастает на несколько метров в течение минут.
Кроме того, часто происходит питание и за счет поверхностных водотоков, рек – так называемые «суходолы» (реки попросту пропадают под землей). Таким образом, под землей образуются целые подземные реки.
Реки Серьга, Ивдель исчезают в зоне известняков и в незакарстованных областях появляется вновь.
Скорость потока воды и значительные по размерам пустоты очень часто приводили к авариям при бурении скважин (буровые колонны проваливались, обрывались и терялись).
На севере области в районе г. Ивделя существуют огромные запасы карстовых вод в толщах закарстованных известняков, которые могли бы легко обеспечить питьевой водой всю Свердловскую область. Вопрос: как транспортировать? Помимо северных районов Уральского региона, карстующиеся известняки, и, как следствие, карстовые воды, получили большое распространение в Красноуфимском районе.
Химический состав карстовых вод разнообразен и отражает состав вмещающих пород. Наряду с пресными водами верхней зоны (гидрокарбонатно-кальциевые или магниево-кальциевые), обычно появляющиеся на поверхности в виде мощных источников, встречаются сульфатно-кальциевые. Например, такие воды как Кисловодск, Мацеста.
Для строительства важно – карстовые воды большей частью агрессивны к бетону.
Подземные воды области многолетней (вечной) мерзлоты.
Многолетняя или «вечная» мерзлота – это состояние горных пород, слагающих верхние слои земной коры, которое проявляется в отрицательной температуре и продолжается непрерывно не менее 1 года до тысячелетий и десятков тысячелетий. Распространены в Европе, Азии, Северной Америке, Гренландия, Антарктида (в России – 11 млн. км2, более 60 % территории).
Мерзлота, наблюдаемая в поверхностных частях земной коры, разделяется: кратковременная, сезонная, многолетняя «вечная», существующая более одного года.
Причины вечной мерзлоты – климатические особенности севера – низкие tº, малое испарение, реликты геологического прошлого – оледенение Земли.
Подземные воды многолетней мерзлоты обычно подразделяют:
Надмерзлотные воды, залегающие над толщей сплошного распространения многолетней мерзлоты. Многолетнемерзлая толща служит как бы водоупором. Межмерзлотные воды, заключенные внутри толщи вечной мерзлоты. Подмерзлотные воды, залегающие ниже многолетней мерзлоты (кровля). Все эти воды, так или иначе, связаны между собой.
Надмерзлотные – находятся неглубоко 0,5–1,0 м, в пределах т.н. «деятельного слоя», т.е. той части мерзлых пород, которые оттаивают в летний период. Зимой они могут промораживаться, т.е. превращаться в лед полностью, частично или вообще не промораживаться. Воды пресные по составу, характеризуются малыми запасами, непостоянным режимом, часто загрязнены органикой, безнапорные.
К этому же типу относятся воды несквозных таликов – под руслами рек, озер, в присклоновых участках долин (связано с тепловым действием водоемов), существуют также под уровнем моря в районах выхода древних речных долин в зонах шельфа.
Межмерзлотные – могут быть как в жидкой фазе (вода) так и в твердой (лед), т.е. законсервированной. В отличие от надмерзлотных вод, для которых характерна сезонная смена фаз состояния, эти находятся в более устойчивом состоянии. Смена фаз происходит в более длительных периодах (сотен лет и тысячелетий). Большая часть этих вод все-таки находится в жидком состоянии и отличается подвижностью. Нередко напорные.
Происхождение обусловлено тремя факторами: сквозные талики (под руслами рек), область развития вод повышенной минерализации (tº=–8º–9º)
Область развития радиоактивных элементов (распад U, Ra).
Подмерзлотные– здесь могут быть и трещинные и трещинно-карстовые и артезианские. Обычно, на глубоком севере – на значительных глубинах – 200 и более метров. Они всегда в жидкой фазе и обладают напором – скважины.
Минеральные воды – называются воды, обладающие биологически активными свойствами и оказывающие физиологическое воздействие на человеческий организм, вследствие повышенного содержания химических компонентов, органических веществ, газов или вследствие повышенной температуры они широко применяются в курортно–санаторном деле и относятся к лечебным. Воды с общей минерализацией более 1 г/л называют минеральными, если же не имеют лечебного значения, то минерализованными. Воды с общей минерализацией более 35 г/л – рассолы. 1,0–5 г/л – столовые воды, 5–15 г/л – слабоминерализованные, 15–35 г/л – высокой минерализации.
Все эти воды (1–35 г/л) пригодны для питья только в случае, когда преобладающим является ион НСО3.
Промышленные рудничные воды – воды, содержащие химические элементы и соли (NaCl) в концентрациях, удобных для их извлечения (Cu, Zn, J, B, Br). (В свое время Дегтярка: содержание меди в воде до 265 мг/л. Откачивали около 2 млн. м3 в год, получали до 400 тонн меди).
Родники (источники)– это одна из форм проявления подземных вод при выходе их на поверхность. В родниках различают: жерло (место, откуда изливается вода), родниковую воронку (небольшой водоем) и изливающийся дальше ключ. Ключи впоследствии могут превратиться в ручьи, а затем и реки. Все виды подземных вод могут выходить на поверхность (иметь область разгрузки).
Родники (источники) подразделяют на нисходящие (безнапорные воды) и восходящие (естественные выходы напорных вод). Они поднимаются на поверхность под воздействием гидростатического давления или газов и пара (гейзеры). По всем источникам проводится мониторинг (систематический контроль химического состава и замеры дебита).
3.2. Законы движения подземных вод
Все изменения в состоянии подземных вод – tº, уровня залегания, водообильности, химического состава, минерализации и пр., называют режимом подземных вод. Изучение режима подземных вод – мониторинг.
Температура – может подвергаться значительным колебаниям, причем, чем ближе уровень подземных вод к поверхности земли, тем сильнее колебания. На воды, залегающие близко к поверхности оказывают влияние суточные и сезонные колебания, а на глубоко залегающие влияют только сезонные.
Уровень грунтовых вод. Колебания уровня напрямую зависит от климатических и сезонных особенностей. При таянии снегов происходит разлив рек (паводок), идет пополнение ресурсов подземных вод и соответственно – повышение их уровня. В конце лета наблюдается падение уровня (межень). Здесь отметим, чем ближе водоносный горизонт к области питания, где происходит инфильтрация, тем быстрее происходит изменение уровня. Если год засушливый – уровень стоит низко, и наоборот.
Изменение уровня может вызвать деятельность человека. Устройство водозаборов, осушение котлованов, горных выработок для добычи полезных ископаемых, закачивание воды в горные породы – все это меняет уровень. Чем сильнее воздействие (отбор, закачка) – тем значительнее изменения.
Химический состав – очень сильных изменений не наблюдается, однако, значительные атмосферные осадки, полив – вызывают снижение минерализации (опреснение) ПВ, деятельность человека (разного рода строительство, коммуникации) ведут к загрязнению подземных вод.
Пример: 50 лет назад в Татарии была пробурена первая нефтяная скважина (нефть для получения топлива не годна – слишком много парафина). Для выкачивания нефти необходимо нагнетать в нефтеносные пласты рассолы, которые вытесняют нефть. Рассолы – 350 г/л. Давление нагнетания 200–250 атмосфер. Общий метраж трубопроводов под землей – не одна тысяча км. В случае аварии образуются огромные соляные озера, которые постепенно фильтруются в водоносные горизонты.
Изучение режима (ведение мониторинга) – необходимость. Ведутся наблюдения за tº, УГВ, химическим составом, загрязнением воды в зависимости от условий и от поставленных задач – ежедневно, неделями, месяцами, годами. Наблюдения проводятся в эксплуатационных скважинах, наблюдательных, источниках (родниках), при необходимости бурят дополнительные скважины.
Движение подземных вод происходит постоянно при малейшем уклоне. Гидрогеологами доказано, что при скорости водного потока в горных породах менее 500 м/сут, движение воды носит ламинарный характер. Поскольку скорости более 500 м/сут очень редки и могут встречаться в закарстованных или сильнотрещиноватых породах, то за основной вид движения подземных вод примем ламинарное.
При полном насыщении горных пород движения воды в них происходит под влиянием разности напоров.
Движение воды в песчаных и большей частью трещиноватых горных породах подчиняется линейному закону фильтрации, известному как закон Дарси (французский ученый). Закон, гласит: количество воды (Q), просачивающейся через породу в единицу времени, пропорционально падению напора(разность в верхнем и нижнем уровнях), площади поперечного сечения породы (F) и обратно пропорционально длине пути фильтрации (l), измеренной по направлению движения воды (рис.19):
Q=Kф·∆Н·F/l (м3/сут; л/с) (14)
Кф – коэффициент пропорциональности, зависящий от физических свойств породы и жидкости (коэффициент фильтрации),м/сут.
Преобразуем формулу – разделим обе части уровнями на площадь сечения (F).
Q/F=Kф·∆Н/l (15)
Обозначим Q/F через V,
V=Кф·∆Н/l (16)
Рис. 19 Фильтрация грунтового потока.
1 – поверхность земли, 2 – водовмещающая порода (песок), 3 – направление грунтового потока, 4 – водоупор, I и II – ось скважин № 1 и № 2 соответственно, Н1 и Н2 - величины напоров, ∆Н – падение напора, l – расстояние между скважинами.
Очевидно, что V – расход фильтрующейся воды, отнесенный к единице площади фильтрующегося потока (Q/F), следовательно, V имеет размерность скорости. Величина V носит название скорости фильтрации. Отношение разности уровней подземных вод в двух точках, т.е. напора, к расстоянию между этими точками – называется напорным (гидравлическим) градиентом грунтового потока и обозначается через I, т.е.
I=∆Н/l, (17)
Таким образом,
V=Кф·I, (18)
т.е. скорость фильтрации пропорциональна первой степени напорного градиента. Из последней формулы получаем:
Кф=V/I, (19)
примем I=1, получим Кф=V, т.е. величина коэффициента фильтрации равна скорости фильтрации при напорном градиенте равном единице. Размерность – обычно м/сутки. Но скорость фильтрации не истинная скорость в породе, она характеризует скорость как бы в пустой трубе. Но у нас реальные условия в породе. В действительности площадь занята микрочастицами или трещинами. Но мы знаем такую величину пористости, как коэффициент пористости. Значит, чтобы получить значение коэффициент фильтрации, т.е. с учетом реальной площади сечения, надо значение этой скорости умножить на коэффициент пористости. Действительную скорость подземного потока определяют просто: две скважины, расстояние между ними известно, в одну бросают красящий индикатор – замеряют в другой.
По водопроницаемости все породы, довольно условно можно разделить:
Хорошо водопроницаемые Кф>10 м/сут (карст, галечники Кф>200, гравий Кф>50, кр/з пески Кф>25 м/сут).
Водопроницаемые (пески, трещиноватые породы) Кф>1 м/сутки.
Слабо водопроницаемые (суглинки, супеси, слабо трещиноватые породы) Кф>0,001 м/сутки.
Непроницаемые, практически водоупорные (глины, монолитные породы) Кф<0,001 м/сутки.
Водопроницаемость определяют в лабораторных и в полевых условиях.
Но в природных условиях водоносный горизонт обычно далеко не однороден по составу, пористости и трещиноватости, поэтому лабораторные данные очень часто недостаточны. Поэтому водопроницаемость или Кф определяют опытным путем, опытными откачками.
Можем определить зависимость, насколько понизится уровень грунтовых вод между дренами, какое количество воды будет в них поступать, на каком расстоянии друг от друга они должны располагаться, чтобы понизить уровень на определенную величину. Такой расход, поступление (водоприток) воды через стенки дрены (канавы) или котлована измеряют в л/сек или м3/сутки.
Каналами можно осушать или добывать воду только из верхних горизонтов. А если глубже? Для этого бурят скважины (или выкапывают колодцы) и из них начинают качать воду (для добычи или для осушения горных пород – разрезов). В результате откачки вода движется к скважине в виде радиального сходящегося потока, из-за трения воды о частицы грунта происходит воронкообразное понижение уровня (депрессионная воронка), в плане форма круга. В вертикальной плоскости воронка ограничивается кривыми депрессии (рис. 20).
Рис. 20 Депрессионная воронка
1 – точка откачки, 2–6 – наблюдательные скважины, УГВ – уровень грунтовых вод до откачки, S – понижение уровня воды в 1 скважине, R – радиус воронки (влияния).
Чем больше величина Кф, тем большей мощности насосы мы должны установить, чтобы обеспечить необходимое понижение уровня.
Расстояние от центра скважины до края депрессионной воронки, образовавшейся в результате откачки – радиус влияния скважины (R).
Радиус депрессионной воронки (R влияния) и крутизна кривых депрессии зависят от водопроницаемости пород, у хорошо водопроницаемых пород – широкие воронки, большой радиус влияния, у слабоводопроницаемых пород (суглинки, супеси) – узкие воронки и малые величины радиуса влияния.
Установление границ депрессионной воронки необходимо:
– для определения kф водовмещающих пород,
– выделения зон санитарной охраны,
– определения осушаемых площадей,
– определения расстояния между соседними водозаборами.
Откачки различают: одиночные (из одной скважины) и кустовые (центральная скважина и две, три или более наблюдательных).
Производительность скважины – дебит (максимальное количество воды в единицу времени при постоянстве уровня (Q, м3/сут).
Направление потока определяется:
– по карте гидроизогипс – перпендикуляр к 2-м смежным гидроизогипсам, – от более высоких отметок уровня к более низким;
– методом трех скважин;
– методом красителей.
Величина R определяется: бурением скважин, по аналогии с действующими водозаборами, по формулам (Кусакина и Зихарда).
Водозаборы – сооружения, с помощью которых происходит захват (забор) подземных вод.
Типы водозаборов:
Вертикальные – буровые скважины, колодцы.
Горизонтальные – галереи, канавы, траншеи.
Лучевые – колодцы с водоприемными лучами-фильтрами.
Одиночные – состоят из одной скважины.
Групповые – из нескольких скважин.
Совершенные – вскрывающие водоносный горизонт на полную мощность (до водоупора).
Несовершенные – до водоупора не доходит.
Строительный – снижение уровня только на период строительства (временно).
Дренаж – снижение уровня на весь период эксплуатации объекта.
Поглощающий колодец для сброса воды в грунтовый горизонт. При поглощении воды колодцем вокруг него возникает воронка поглощения, по форме аналогичная депрессионной, но обращенная выпуклостью вниз.
Взаимодействие водозаборов:
Для водоснабжения расстояние между водозаборами (скважинами), обеспечивающее каждому постоянный дебит должно быть больше двух депрессионных радиусов (>2R).
Для понижения уровня грунтовых вод (на строительной площадке) расстояния между точками водопонижения (скважинами, канавами) не может превышать 2R, т.е. депрессионные воронки должны пересекаться.
Водопонижение на строительных площадках.
1. Самотек грунтовых вод – зависит от рельефа местности (откосные дренажные системы, подземные галереи).
2. Принудительная откачка: насосами, иглофильтровыми установками (тонкие металлические трубы 7–9 м, с фильтром на конце). ЛИУ – понижение 4,5 м (один ярус) в песках при кф – 1–50 м/сут; эжекторными иглофильтрами (вакуумное понижение) – пески, супеси с кф – 0,01–1,0 м/сут.
3. Отвод подземных вод по горизонтали – дренажная траншея (открытые и закрытые), по вертикали – скважины или колодцы.
4.Системы дренажей:
Линейная схема (головная – перехват воды выше объекта, береговая – вдоль берега водоема);
Систематическая (многолинейная – при малой мощности водоносного слоя) длительное осушение большой площади;
Кольцевая – отдельное здание с глубоким фундаментом;
Пластовая – в основании сооружения на водоносный грунт, гидравлически связана с трубчатой дреной (с наружной стороны фундамента ~ 0,7 метра).
Пристенная состоит из дренажных труб на водоупорном грунте с наружной стороны сооружения. Применяется в том случае, если основанием служит водоупорный грунт.
Охрана подземных вод
Истощение запасов подземных вод – сработка в процессе отбора вод без восполнения (прогрессирующее понижение динамических уровней эксплуатируемого водоносного горизонта).
Загрязнение подземных вод – изменение качества (общей М, органолептических свойств, превышение допустимых компонентов).
Типы загрязнения подземных вод.
– естественное (минерализованные подземные или морские воды);
– химическое (органическое и неорганическое);
– бактериальное;
– радиоактивное;
–механическое (песок, шлак из сточных вод);
–тепловое (смешивание с нагретыми техническими сточными водами).
Меры борьбы с загрязнением
Очистка сточных вод;
Создание безотходных производств;
Перехват профильтровавшихся стоков дренажем;
Экранирование чаш бассейнов;
Расположение водозаборов выше по потоку источников загрязнения;
Устройство зон санитарной охраны
Зоны санитарной охраны.
Зоны санитарной охраны – территории с особым режимом, исключающим загрязнение подземных вод.
Зоны санитарной охраны организуются в составе трёх поясов:
Первый пояс (строгого режима) – окружность радиусом 50 м, центр которой находится в точке расположения источника водоснабжения.
Второй пояс – зона бактериологического загрязнения.
Третий пояс– зона химического загрязнения.
Размер второго и третьего пояса определяется гидродинамическим расчётным путём.
Подземные воды – как источник водоснабжения. Поиск и разведка месторождения подземных вод. Бурение скважины, определяют все параметры, производят моделирование, взаимосвязь с другими горизонтами подземных вод, сколько скважин необходимо, с какой производительностью, определяют зоны санитарной охраны (обычно их две), где нет коммуникаций и источников загрязнения, определяют химический состав воды, возможную степень загрязнения и др. Здесь руководствуются требованиями СанПиН.