Грунтовые воды

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное

учреждение высшего профессионального образования

«Волгоградский государственный социально-педагогический университет»

(ФГБОУ ВПО «ВГСПУ»)

 

Естественно-географический факультет

Кафедра географии и геоэкологии

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ГРУНТОВЫЕ ВОДЫ

Контрольная работа

 

По дисциплине «Общее землеведение»

Направления 050100 – «Педагогическое образование

Профиля «География»

 

 

 

 

Выполнил:

Пантелимонов А. П.  (гр. ЕГ-ГБZ-11)

Проверил:

Моников С. Н. (канд. геогр. наук, доцент)

 

 

 

 

 

 

 

 

Волгоград - 2014 

СОДЕРЖАНИЕ

Введение . . . . . . . . . . 3

Основные особенности и условия залегания грунтовых вод . . 4

Условия питания и разгрузки грунтовых вод . . . . 9

Основные типы грунтовых вод по условиям залегания . . 13

Литература . . . . . . . . . . 19

 

ВВЕДЕНИЕ

Грунтовые воды – это часть подземных вод.

Подземные воды — воды, находящиеся в толще горных пород верхней части земной коры в жидком, твёрдом и газообразном состоянии.

По условиям залегания подземные воды подразделяются на несколько видов:

почвенные;

грунто́вые;

межпластовые;

1. Почвенные воды заполняют часть промежутков между частицами почвы; они могут быть свободными (гравитационными), перемещающимися под влиянием силы тяжести или связанными, удерживаемыми молекулярными силами.
2. Межпластовые воды — нижележащие водоносные горизонты, заключенные между двумя водоупорными слоями. В отличие от грунтовых, уровень межпластовых вод более постоянен и меньше изменяется во времени. Межпластовые воды более чистые, чем грунтовые. Напорные межпластовые воды полностью заполняют водоносный горизонт и находятся под давлением. Напором обладают все воды, заключенные в слоях, залегающих в вогнутых тектонических структурах.
3. Грунтовые воды — гравитационные воды первого от поверхности Земли постоянно существующего водоносного горизонта, расположенного на первом водоупорном слое. Имеют свободную водную поверхность. Обычно над ней нет сплошной кровли из водонепроницаемых пород.

 

ОСНОВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ И УСЛОВИЯ ЗАЛЕГАНИЯ ГРУНТОВЫХ ВОД

Грунтовыми водами называются безнапорные или с местным напором гравитационные воды зоны насыщения, формирующиеся в коре выветривания или в рыхлых поверхностных отложениях под прямым воздействием физико-географической среды.

В литературе распространено определение грунтовых вод как подземных вод первого от поверхности постоянно действующего водоносного горизонта, залегающего на первом регионально выдержанном водоупорном пласте (рис. 1). Но это определение недостаточно и в какой-то мере является суженным понятием.

■ Рис. 1. Схема залегания грунтовых вод .

1 — зона аэрации; 2 — грунтовые воды (зона насыщения); 3 — водонепроницаемый слой; 4 — капиллярная кайма; 5 — уровень грунтовых вод

 

Гидрологи предлагают свое определение грунтовых вод. Они считают грунтовыми водами все неглубоко залегающие безнапорные и с местным напором подземные воды, дренируемые гидрографической сетью. Здесь уже в качестве классификационного признака выступает базис дренирования. Однако и это определение недостаточно, хотя оно и значительно шире.

Таким образом, грунтовые воды формируются в рыхлых поверхностных отложениях, а также в коре выветривания в трещинах коренных пород или в продуктах их разрушения. Формирование их происходит под влиянием естественных и искусственных факторов и отражает прямое воздействие физико-географической среды, т. е. климата, почв, растительности, хозяйственной деятельности человека. -

Основные признаки грунтовых вод

1. В большинстве своем грунтовые воды являются водами безнапорными, имеют свободную поверхность и непосредственную связь с атмосферой (давление на поверхность грунтовых вод равно атмосферному); на отдельных участках, где имеется локальное водоупорное перекрытие, приобретают местный-небольшой напор, величина которого определяется положением уровня грунтовых вод на примыкающих, участках, не имеющих водоупорного перекрытия (рис. 2).

. Рис. 2. Схема образования местных напоров грунтовых вод

1 — флювиогляциальные пески; 2 — сохранившиеся линзы морены (водонепроницаемые) ; 3 — водонепроницаемый слой (водоупор); 4 — уровень грунтовых вод. I, II, III — скважины

 

2. Глубина залегания уровня, температура вод, минерализа- конденсации водяных паров и внутригрзштового испарения;

- подтока (подпитывания) из более глубоких водоносных горизонтов.

3. Имеют широкое, почти повсеместное распространение в при

роде; приурочены, главным образом, к рыхлым отложениям четвертичного возраста; формируются на междуречных массивах, в. аллювии .древних и современных речных долинах, в предгорных конусах выноса, в зоне выветривания трещиноватых массивных пород.

4. Легкодоступны для практического использования, но, залегая на незначительной, глубине, подвержены загрязнению.

Относительно однородные по литологическим особенностям и водным свойствам пласты горных пород, содержащие грунтовые воды, называются водоносным горизонтом или водоносным пластом. Если водоносный пласт имеет один и тот же литологический состав и обладает примерно одинаковой водопроницаемостью, он называется однородным пластом. Различают изотропный однородный водоносный горизонт, имеющий одинаковую водопроницаемость во всех направлениях, и анизотропную толщу, в которой водопроницаемость больше в одном, чем в другом направлении. Такие водоносные породы, как ленточные глины, имеют водопроницаемость большую в горизонтальном направлении, чем в вертикальном. Или, например, лёсс и лёссовые породы имеют водопроницаемость в вертикальном направлении большую, чем в горизонтальном.

Анизотропность породы обусловлена ее структурными особенностями, а также неодинаковостью ее механического состава.

Неоднородные водоносные горизонты встречаются наиболее часто-Характерные примеры неоднородного строения водоносных горизонтов. Водоносный горизонт сложен чередующимися пластами водоносных пород разной водопроницаемости.

Двухслойные водоносные горизонты, в которых водоносные пласты имеют разную водопроницаемость. Например, для аллювиальных отложений весьма характерно, строение, при котором верхний слой '(современный аллювий) имеет меньшую водопроницаемость, чем нижний (древний аллювий).

Водоносные горизонты с резкой сменой водопроницаемости в горизонтальном направлении.

Водопроницаемые породы, на которых формируются грунтовые воды, называются водоупорным ложем грунтовых вод или водоупором.

Поверхность грунтовых вод называется уровнем или зеркалом грунтовых вод.

Расстояние от кровли водоупорного ложа-до зеркала грунтовых вод составляет мощность грунтового горизонта. Так как уровни грунтовых вод подвержены значительным колебаниям, мощность водоносного горизонта грунтовых вод непостоянна. -

Выше зеркала грунтовых вод располагается капиллярная кайма (бахрома, оторочка) различной мощности, зависящей от литологического состава рыхлых горных пород: в крупно-обломочных, песчаных породах мощность капиллярной каймы незначительна, в то время как в пылеватых и глинистых горных породах она может достигать нескольких метров. Капиллярная кайма гидравлически связана с водоносным горизонтом грунтовых вод и испытывает такие же колебания, как и зеркало грунтовых вод.

В природе грунтовые воды в зависимости от геоморфологического и геологического строения местности образуют различные формы залегания, к которым относятся: грунтовый поток; грунтовый бассейн; сочетание грунтового потока с грунтовым бассейном.

Грунтовый поток — безнапорный водоносный горизонт, движение воды в котором происходит под влиянием силы тяжести в направлении уклона поверхности (зеркала) грунтовых вод. Площадь распространения потока грунтовых вод называется бассейном стока этих вод.

 Грунтовый бассейн  - понижение в водоупорном ложе, выполненное водопроницаемыми породами, насыщенными водой, имеющей горизонтальную поверхность.

При переполнении водой этих понижений образуется сочетание грунтового потока с бассейнами. Не следует, однако, представлять границу между грунтовым бассейном и грунтовым потоком как плоскость раздела неподвижных и подвижных грунтовых вод. Движение грунтового потока захватывает область грунтового бассейна с постоянным уменьшением скорости по глубине.

Грунтовые воды находятся в непрерывном движении, перемещаясь под влиянием силы тяжести от участков с более высоким положением уровня, грунтовых вод к участкам с менее высоким его положением. Скорости движения подземных вод при часто наблюдающихся уклонах их поверхности 0,001—0,007 составляют (м/сут.): в крупнозернистых песках 1,5—2,0; в мелкозернистых песках и супесях 0,5—1,0; в суглинках и лёссовых породах 0,1 – 0,3.

Следует подчеркнуть, что движение грунтовых вод определяется не положением водоупора, а положением депрессионной кривой и направлено всегда в сторону дренирования водоносного горизонта. Нередки случаи, когда движение грунтового потока направлено в сторону, противоположную понижению водоупорного ложа. Таким образом - водонепроницаемые слои являются необходимым условием для образования водоносного горизонта, но не определяют направления движения в нем. 
УСЛОВИЯ ПИТАНИЯ И РАЗГРУЗКИ ГРУНТОВЫХ ВОД

Основным видом питания грунтовых вод является инфильтрация атмосферных осадков (дождя, тающего снега, росы и т. д.). Величина инфильтрации зависит от характера и интенсивности выпадения осадков, а также водопроницаемости почвы и пород зоны аэрации.

Наибольшее значение для питания грунтовых вод имеют неинтенсивные длительные обложные дожди, выпадающие при высокой относительной влажности воздуха (около. 100%). Они дают максимальную инфильтрацию осадков, просачивающихся в пласты горных пород.

Осадки, выпадающие в зимнее время, могут служить источником питания грунтовых вод преимущественно весной,, после оттаивания промороженных за зиму горных пород и перехода твердых осадков в капельно-жидкое состояние. При оттепелях и положительной температуре почвенного слоя возможна инфильтрация осадков и в зимнее время. Величина инфильтрации зимних твердых осадков зависит от времени оттаивания почвы, рельефа местности, характера растительности, водопроницаемости почвы и некоторых других факторов. При весеннем снеготаянии на ровном плато, например, условия для инфильтрации будут более благоприятны, чем на крутых склонах;, на участках, покрытых растительностью, инфильтрация также оказывается более интенсивной, так. как растительность замедляет скорость таяния снега и уменьшает поверхностный сток. 

В степных районах, где снежный покров имеет незначительную толщину, а сильные зимние ветры сносят большое количество снега в овраги и речные долины, сравнительно очень небольшая часть твердых зимних осадков успевает при быстром весеннем снеготаянии просочиться в почвенный слой, и то лишь на незначительную глубину. Более интенсивное питание подземных вод в степи в весеннее время происходит на пониженных участках, например, в оврагах и так называемых «степных блюдцах» и лиманах, где накапливаются большие массы талых вод. Естественно, что на таких участках степи уровень грунтовых вод в весеннее время значительно повышается, а подземные воды опресняются. Нередко колодцы, вскрывающие здесь грунтовые воды на глубине нескольких метров от поверхности, являются в степных районах. единственным источником пресных вод. Однако довольно часто они имеют сравнительно невысокий дебит.  Передвижение инфильтрующихся с поверхности осадков происходит до тех пор, пока они не достигнут горизонта грунтовых вод. С этого момента вертикальное перемещение прекращается. В дальнейшем эти воды текут в виде грунтового потока по направлениям наименьшего' сопротивления в стороны ближайших естественных дрен (речных долин, балок, оврагов). Если инфильтрующаяся вода достигает бассейна грунтовых вод, она оказывает влияние на повышение его уровня.

В горных районах наряду с дождевыми и снеговыми осадками в питании грунтовых вод могут принимать участие роса, иней и другие виды осадков, при некоторых благоприятных природных условиях, служащие источником увлажнения поверхности почвы и наземных предметов. Влажные ветры, дующие со стороны моря, т. е. воздушные массы, движущиеся в приморской полосе вглубь материка и несущие в себе влагу, встречая на своем пути преграды в виде гор, поднимаются. При этом происходит охлаждение влажных воздушных Масс с выделением на поверхности каменистой породы и почвы некоторого количества влаги. При благоприятных условиях эта влага может принимать участие в питании подземных вод.

Повышение уровня грунтовых вод под влиянием выпадения атмосферных осадков и увеличение дебита нисходящих источников, питающихся грунтовыми водами, зависят от количества выпавших, осадков и местных условий (водопроводимости пород, глубины залегания уровня воды от поверхности земли и т. п.) и наступают через некоторое время после выпадения осадков. Известны примеры, когда максимальный дебит источников отмечался через месяц и более после выпадения наибольшего количества атмосферных осадков. Имеются также факты, указывающие на то, что наибольшие дебиты некоторых источников фиксируются через несколько суток и даже часов после выпадения осадков. Последние данные наиболее характерны для трещиноватых и закарстованных пород, где подземные воды движутся с большими скоростями', чем в песчаных водоносных пластах.

В пустынных областях может иметь место также конденсационное питание грунтовых вод, т. е. питание за счет сгущения водяных паров воздуха, осаждающихся на охлажденных частицах горных пород. Образование подземной влаги за счет конденсации водяных паров происходит также на побережье Каспийского моря в районе Кара-Богаз-Гола и в других местах, где атмосферные осадки при исключительной засушливости климата не могут служить заметным источником питания грунтовых вод.

Местами грунтовые воды получают дополнительное питание за счет подтока напорных артезианских вод из расположенных ниже пластов. Этот вид питания возможен на участках, где отсутствует водоупорное перекрытие артезианских водоносных горизонтов (через гидрогеологические «окна») и только при условии превышения напорного уровня над отметками зеркала грунтовых вод.

Разгрузка (дренирование) горизонта грунтовых вод происходит через источники (родники), пластовые высачивания и другие водопроявления на поверхности земли. 

Источники обычно выходят на поверхность на участках вскрытия водоносных горизонтов эрозионной сетью, или по тектоническим нарушениям пород. Если разгрузка осуществляется из водоносных пластов, сложенных тонко- или мелкозернистыми песками, то в местных небольших понижениях концентрируются слабые выходы воды. Иногда вблизи таких выходов может иметь место пластовое высачивание, представляющее собой склон долины, равномерно увлажненный на выходе водоносного пласта. Нередко такие участки протягиваются вдоль склона в виде заболоченной полосы, на которой произрастает болотная растительность, а в углублениях накапливается вода. В засушливых районах на поверхности таких площадей вследствие испарения воды образуется очень тонкий слой в виде белого налета.

Максимальное число источников наблюдается в наиболее глубоко врезанных в водораздельный массив балках и оврагах. В соответствии с количеством вскрытых водоносных горизонтов в глубоких эрозионных врезах (балках) выходят источники на разных высотных отметках.

В равнинных областях встречаются преимущественно источники» нисходящего типа, а в горных районах — восходящего и нисходящего.

Существенно заметить, что в полевых условиях при отнесении источников к тому или иному типу приходится сталкиваться с определенными трудностями. Так, при условии питания источников грунтовыми водами отмечаемся спокойное истечение воды из очага разгрузки, а в случае их питания напорными водами происходит относительно быстро излияние воды на поверхность из пород водоносного пласта или по тектоническому нарушению. Нередко одного этого признака для отнесения источника или группы источников к тому или иному типу оказывается недостаточно.

В полевых условиях, для того чтобы обоснованно установить причину появления разгрузки подземной воды через источники и увязать это природное явление с геологическим строением района исследований, приходится проводить несложные разведочные работы (расчистка или бурение мелких скважин), выполнять физико-химические анализы воды, а на некоторых (опорных) источниках организовывают даже кратковременные наблюдения за их режимом.

 

ОСНОВНЫЕ ТИПЫ ГРУНТОВЫХ ВОД ПО УСЛОВИЯМ ЗАЛЕГАНИЯ И ИХ ХАРАКТЕРИСТИКА

Грунтовые воды речных долин

Речные долины обычно выполнены песчано-глинистыми аллювиальными отложениями, которые образуются в результате переотложения речными потоками рыхлых продуктов разрушения первичных пород. Водоносные горизонты, связанные с аллювиальными образованиями, обладают значительными ресурсами пресных вод. Вместе с тем аллювиальные отложения современных и древних крупных и малых рек в истоках и устьях обладают специфическими особенностями, от которых в значительной степени зависят как мощность водоносных горизонтов, так и общие ресурсы грунтовых вод. 

В разрезе аллювиальных отложений ряда крупных, современных рек, унаследовавших древние речные долины (р. Волга, Ока, Днепр и др.). можно выделить два яруса аллювиальных отложений. Верхний ярус представлен современными мелко- и среднезернистыми песками, пылеватыми суглинками и частично глинами. Нижний ярус аллювиальных отложений сложен грубозернистыми разностями, главным образом, песчано-гравелистыми породами.

Химический состав, грунтовых вод. аллювиальных отложений близок к химическому составу поверхностных вод. Обычно это пресные гидрокарбонатные кальциевое воды с минерализацией менее 1 г/л. Там, где грунтовые воды получают дополнительное питание за счет глубоких напорных вод или циркулируют в горных породах, содержащих легко растворимые соли, минерализация их может быть повышенной. Соответственно при этом изменяется и химический состав грунтовых вод.

Наиболее широко аллювиальные воды эксплуатируются при помощи неглубоких (2—8 м) копаных колодцев в сельских районах. Они также используются для водоснабжения промышленных предприятий и городов. При крупном водоснабжении водозабор осуществляется системой взаимодействующих буровых скважин с установкой рабочей части фильтра в нижней, наиболее водообильной толще аллювиальных отложений.

Грунтовые воды ледниковых отложений

Ледниковые отложения широко распространены в СССР, Западной Европе и Северной Америке. Они представлены собственно ледниковыми образованиями — моренными суглинками и глинами — и флювиогляциальнымй отложениями,- состоящими преимущественно из песков.

Водообильность линз и прослоев, песков, залегающих среди моренных суглинков и глин, а также межморенных и подморенных флювиогляциальных отложений 'сильно изменяется в связи с тем, что эти отложения имеют весьма непостоянный литологический состав и часто выклиниваются, замещаясь неводоносными суглинками и глинами. Этим объясняется разная глубина залегания грунтовых вод в скважинах и колодцах, расположенных на расстоянии 30—40 м друг от друга в областях развития моренных отложений. .

Области распространения флювиогляциальных отложений находятся в благоприятных современных климатических условиях. Достаточное количество атмосферных осадков, обычно превышающее величины испарения, а также слабо расчлененный рельеф поверхности создают условия, способствующие, интенсивной инфильтрации влаги в хорошо водопроницаемые флювиогляциальные отложения. Глубина залегания горизонтов грунтовых вод в зависимости от рельефа местности колеблется - от 2 до 12 м от поверхности земли.

По химическому-составу грунтовые воды ледниковых и водноледниковых образований весьма пестрые. В зависимости от климатических условий значительно меняется их общая минерализация. В северных районах в климатическом поясе избыточного увлажнения преобладают пресные гидрокарбонатные кальциевые воды (невысокой минерализации (0,2—0,3 г/л) с большим содержанием органических веществ и часто железистых соединений.

Иногда значительные скопления грунтовых вод образуются в озерно-ледниковых отложениях. Озерно-ледниковые отложения состоят, главным образом, из мелко и тонкозернистых песков и ленточных глин. Ленточные глины представляют собой тонкое чередование слоев глин с более песчанистыми-пропластками. Мощность песчаных пропластков незначительна, поэтому водообильность ленточных глин весьма невысокая.

 

Грунтовые воды степей, полупустынь и пустынь

Степные и пустынные районы расположены за пределами распространения ледниковых отложений. Они расположены в южной части Украины, Прикаспийской низменности, Предкавказье, в южной части Казахстана и в Средней Азии, где находятся пустыни Каракум, Кызылкум, Сары-Ишикотрау, Муюнкум, Бетпак-Дала. Степи и особенно полупустыни и пустыни характеризуются малым количеством атмосферных осадков (в среднем около 150—250 мм в год) при высокой испаряемости (до 2500 мм в год и более). Речная сеть развита очень слабо. Реки, протекающие по пустыням, относятся к «транзитным», поскольку они не получают питания по пути движения.

Значительные площади указанных областей заняты сухими песками, лёссовидными и, глинистыми породами, слабо воспринимающими атмосферные осадки. Выпадающие на поверхность степей, полупустынь и пустынь в теплое время года атмосферные, осадки расходуются в основном на испарение и в незначительном количестве на 'инфильтрацию; в отдельных районах может иметь место конденсация водяных паров из воздуха. Таким образом, условия для накопления грунтовых вод в степях и особенно в полупустынях и пустынях весьма неблагоприятны.

В степях зимние осадки сносятся ветром в балки и овраги, где создаются более благоприятные условия для накопления подземных вод. В. эти же понижения направлен поверхностный сток, возникающий при редких, дождях. Наблюдения показывают, что в понижениях рельефа грунтовые воды залегают 'на небольшой глубине и нередко имеют удовлетворительный химический состав. Как в понижениях (лиманах), так и на других участках степей, полупустынь и пустынь пресные воды залегают в виде различных размеров линз на соленой грунтовой воде.

На возвышенных участках степей грунтовые воды необильны и обычно Сильно минерализованы. 

Грунтовые воды в лёссовых образованиях и лёссовидных суглинках наиболее широко распространены на территории Азово-Кубанской и Причерноморской низменностях, Сало-Ергенинского плато и склонов Ставропольской возвышенности. Здесь они залегают обычно в нижней части разреза, вследствие хорошей вертикальной водопроницаемости лёссовых отложений. Водоупором для грунтовых вод служит сравнительно небольшой мощности толща красно-бурых глин. Глубина залегания зеркала грунтовых вод составляет 20—30 и более метров.

Среди засоленных грунтовый вод на отдельных участках, чаще под степными блюдцами, а также в верховьях балок и лощин встречаются пресные воды с минерализацией до 1 г/л.

Пустыни и полупустыни расположены в бессточных областях. Поверхностные воды здесь или стекают во внутренние замкнутые озера, не имеющие связи с океаном, или по пути движения расходуются на фильтрацию в песчаные породы и испарение, не достигая озер.

С поверхности суши испаряются не только атмосферные осадки, но и при определенных условиях также грунтовые воды. При большой глубине залегания грунтовых, вод испарение с их поверхности незначительно; если же глубина залегания грунтовых вод. Не превосходит высоты капиллярного поднятия, испарение резко увеличивается, вследствие непрерывного подъема грунтовой воды по капиллярам к поверхности земли. Этот процесс ведет к засолению почвенного покрова и образованию солончаков.

В сухих степях и полупустынях грунтовые воды иногда залегают на небольшой глубине. В Прикаспийской низменности, например, грунтовые воды часто залегают на глубине всего нескольких метров от поверхности, причем, как правило, они сильно минерализованы. Только на повышенных элементах рельефа, на участках дренирования горизонта грунтовых вод речными долинами, на сравнительно небольших участках понижений, где накапливаются и в большом количестве просачиваются поверхностные воды, создаются благоприятные условия для опреснения грунтовых вод.

 

Грунтовые воды горных областей, межгорных впадин и предгорных наклонных равнин

В горных областях грунтовые воды распространены в породах коры выветривания, а также в трещинах и более крупных тектонических нарушениях дочетвертичных пород.

Горным хребтам свойственны интенсивная расчлененность рельефа и вертикальная зональность климата — увеличение осадков и понижение температуры воздуха с повышением местности над уровнем моря. Питаемые атмосферными, осадками грунтовые воды выклиниваются на склонах речных долин и ущелий, образуя источники. Благодаря интенсивной циркуляции — воды пресные. Исключение представляют источники, выходящие из соленосных отложений. Часть грунтовых вод перетекает в отложения предгорных шлейфов, питая артезианские водоносные горизонты. Горные хребты с окаймляющими их предгорными шлейфами являются областями питания подземных вод равнинных территорий.

Мощные континентальные отложения предгорных накоплений равнин нередко являются природными коллекторами огромных запасов как грунтовых, так и артезианских вод. Запасы подземных вод в данных геологических структурах формируются путем поглощения вод поверхностных водотоков, а также инфильтрации атмосферных осадков. Подземные воды, находящиеся в сфере активного водообмена, обычно имеют невысокую минерализацию.