Питание рек подземными водами. Методики расчета подземного стока

СОДЕРЖАНИЕ 

1. Введение                                                                                  2-4стр.
2. Глава 1.  Происхождение подземных вод                         4стр.

1.1. Конденсационная теория                                       5-6стр

1.2. Инфильтрационная теория                                   7стр.

1.3.Седиментационная  теория                                     7-8стр.

1.4.Ювенильная  теория                                                 8-9стр.

3. Глава 2. Классификация  подземных вод                           10-11стр.

2.1.Верховодка                                                                 11-13стр.

2.2.Грунтовые  воды                                                       13-14стр.

2.3.Артезианские  воды                                                  14-15стр.

4.Глава 3. Питание рек подземными водами.                      16-17стр.

  Методики расчета  подземного стока                                   

5. Заключение                                                                             17-18стр.

6.Список  использованных источников                                 19стр. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

введение 

      Гидрогеология (от гидро – вода и геология) наука о подземных водах, изучающая их состав и свойства, происхождение, закономерности распространения и движения, а также взаимодействие с горными породами.

      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 а 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 С диссоциированы 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. В первом тысячелетии до нашей эры появились первые представления о свойствах и происхождении природных вод, условиях их накопления и круговороте воды на Земле (в работах Фалеса и Аристотеля – в Древней Греции; Тита Лукреция Кара и Витрувий – в Древнем Риме, и др.). 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). Возникли понятия о водах ненапорных, напорных (поднимающихся снизу вверх) и самоизливающихся. Последние получили в 12 веке название артезианских - от провинции Артуа (древнее название "Артезия") во Франции.

      В эпоху Возрождения и позднее  подземным водам и их роли в  природных процессах были посвящены  работы многих ученых - Агриколлы, Палисси, Стено и др. В России первые научные  представления о подземных водах  как о природных растворах, их образовании путем инфильтрации атмосферных осадков и геологической деятельности подземных вод были высказаны М.В.Ломоносовым в сочинении «О слоях земных» (1763 г.).

      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 пол 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 (атмосферных осадков, и условиях их инфильтрации, испарения, температуры и влажности воздуха и почвенного слоя, влияния режимов поверхностных водоемов, рек, техногенной деятельности человека). 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.

      Из 510 миллионов квадратных километров площади земного шара 361 млн. кв. км (70,7 %) занимают моря и океаны, образуя  единый Мировой океан, остальные 149 (29,3 %) млн. кв. км занимает суша. В северном полушарии на долю суши приходится 39,3 % площади полушария, в южном – 19,1 %. Об удельном весе элементов влагооборота и их влиянии на общий оборот воды в природе можно судить по данным, приводимым ниже:

      Таблица 1

      Под влиянием солнечной энергии с поверхности Мирового океана испаряется в среднем около 450,0 тыс. км³ 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.

      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.

           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. 
 

Глава 1. Происхождение  подземных вод 

      Подземные воды формируются в основном из вод  атмосферных осадков, выпадающих на земную поверхность и просачивающихся (инфильтрующих) в землю на некоторую глубину, и из вод из болот, рек, озер и водохранилищ, также просачивающихся в землю. Количество влаги, прогоняемой таким образом в почву, составляет по данным А.Ф.Лебедева, 15-20 % общего количества атмосферных осадков.

      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 и водонепроницаемые или 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 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.

      Подземные воды в земной коре распределены в двух этажах. Нижний этаж, сложенный плотными магматическими и метаморфическими породами, содержит ограниченное количество воды. Основная масса воды находится в верхнем слое осадочных пород. В нем по характеру водообмена с поверхностными водами выделяют три зоны: зону свободного водообмена (верхнюю), зону замедленного водообмена (среднюю) и зону весьма замедленного водообмена (нижнюю). Воды верхней зоны обычно пресные и служат для питьевого, хозяйственного и технического водоснабжения. В средней зоне располагаются минеральные воды различного состава. Это – древние воды. В нижней зоне находятся высокоминерализованные рассолы. Из них добывают бром, иод и другие вещества. 
 
 

1. Конденсационная теория

           В IV в. до н. э. древнегреческий философ Аристотель высказал мнение, что хотя источником всех вод на Земле является влага атмосферы, питание рек происходит двояким путем: во-первых, дождевыми водами, которые в большем количестве выпадают в горах, во-вторых, и главным образом водами, которые образуются в многочисленных земных холодных пустотах в результате конденсации в них паров воды из воздуха, поступающего из атмосферы. Таким образом_, он (Аристотель) явился родоначальником конденсационной теории.

            В XIX в. (1877 г.) эту теорию особенно горячо пропагандировали О. Фольгер и его сторонники. Он утверждал, что в холодных пористых породах верхних слоев Земли происходит конденсация (сгущение) водяных паров воздуха, которая в итоге приводит к накапливанию подземных вод.

По теории Фольгера, процесс конденсации протекает  следующим' образом. Атмосферный воздух, содержащий водяные пары, проникает в поры почвы и нижележащих слоев горных пород и, соприкасаясь там с более холодной поверхностью частиц, отдает им часть своей влаги. Таким образом, на частицах пород происходит конденсация водяных паров воздуха, подобная росе, осаждающейся по утрам на охлажденной поверхности Земли.

            Гипотеза Фольгера имела много слабых сторон. В частности,_ при конденсации, как известно, выделяется тепло, которое уже через сравнительно короткое время должно повысить температуру пород зоны аэрации настолько, что дальнейшая конденсация станет невозможной. Подсчитано, что для образования столба воды высотой всего 2 мм необходимо, чтобы каждые полусутки (12 ч) через 1 м² поверхности земли ПРОХОДИJIО 1000 м³ воздуха, а в течение других полу суток возвращался в атмосферу. Следовательно, линейная скорость движения воздуха должна быть 83,3 м/ч. Такого активного воздухообмена между атмосферой и породами зоны аэрации нигде никто еще не наблюдал. Были и другие серьезные возражения против гипотезы Фольгера, которая имела умозрительный характер и не была подтверждена опытами.

              Только русский ученый А. Ф. Лебедев в результате широко поставленных экспериментальных работ и наблюдений на опытном поле (1907-1919 гг.) доказал возможность конденсации водяных паров воздуха в порах горных пород [5]. Принципиальным отличием доказательства Лебедева от гипотезы Фольгера является правильный анализ причин, вызывающих конденсацию влаги. А. Ф. Лебедев объясняет этот процесс разностью упругости водяных паров атмосферного и почвенного воздуха или водяных паров, находящихся в различных слоях зоны аэрации; разностью, вызывающей перемещение водяного пара из пространства с большей упругостью в пространство с меньшей упругостью. Такое передвижение влаги при ,относительной влажности воздуха, равной 100%, приводит к ее конденсации на поверхности частиц горной породы.

            Упругость водяных паров, насыщающих воздух, как известно, увеличивается с повышением температуры. В зимнее время верхние "слои почвы имеют более низкую температуру, чем нижние, поэтому водяные пары зимой поднимаются снизу вверх, увеличивая влажность почвенного слоя. А. Ф. Лебедев подсчитал, что за холодный период года почва получает дополнительное питание за счет передвижения водяных паров снизу в виде слоя воды высотой до 66-¬80 мм. В теплый летний период передвижение водяных паров происходит сверху вниз, поскольку летом почва получает большое количество солнечной энергии и с поверхности сильно прогревается. В Центральных Каракумах, например, в июле температура поверхности почвы в отдельные дни достигает 700 С.

            К аналогичным выводам пришел Ф. П. Саваренский, проводивший опытные работы в Муганской степи.

            Теория А. Ф. Лебедева, основанная на большом числе хорошо организованных и тщательно проведенных лабораторных и полевых исследований, внесла много нового в вопрос о процессах перемещения и накопления влаги в почвах и горных породах. Однако в выводах А. Ф. Лебедева все же остаются некоторые недоказанные положения.

Кан уже  было отмечено, в настоящее время  в результате длительных исследований и многочисленных наблюдений можно  считать установленным, что основным видом питания подземных вод, находящихся в зоне активного водообмена, является инфильтрация атмосферных осадков.

В районах  с малым количеством атмосферных осадков существенное значение на питание подземных вод может оказывать конденсация.

           О величине конденсационного питания подземных вод имеются ценные сведения в работе В. Н. Чубарова. Тан, для некоторых районов пустыни Каракум в котловинах заросших песков расчетом установлена величина конденсации, равная 17,8 мм в год.

           На участке гидрогеологической станции «Феофания», организованной в лесостепной зоне Украинской ССР, :К. д. Ткаченко при тщательном изучении процесс а конденсации влаги удалось определить раздельно как конденсацию, происходящую за счет паров воды, проникающих из атмосферного воздуха, так и конденсацию формирующегося за счет паров почвенного воздуха. Многочисленными исследованиями в климатических условиях названной станции установлено, что за период с мая по октябрь Конденсация составила 13,56 мм. Эта конденсация происходит только в верхнем слое почвы мощностью 10 см, и она не оказывает существенного влияния на увлажнение почвы.

            В последние годы большинство исследователей конденсационную теорию рассматривают совместно с инфильтрационной, поскольку влага при этих видах питания имеет атмосферный генезис. 
 

2. Инфильтрационная  теория

             Инфильтрационная теория происхождения подземных вод возникла одной из первых.

            Первое ее изложение относится к 1 в. до н. э. (Марк Витрувий Поллио). В XVII-XVIII вв. она была поддержана и научно обоснована П. Перро, э. Мариоттом, Э. Галлеем,  А. Валлисниери, М. В. Ломоносовым и др. Великий русский ученый М. В. Ломоносов (XVIII в.) писал об образовании подземных вод за счет инфильтрации атмосферных осадков: « ... что в рудники и жилы воды из гор самих с минералами вытекают, то явствует из § 68 и далее; чтож оная вода верховая от дождей, 'то изведали сами рудокопы, кои уверяют, что в сухие и бездождевые годы минеральные воды в рудниках не так одолевают,. как в дождливые».

           Таким образом, Ломоносов по существу высказал мысль о питании подземных вод за счет поглощения (инфильтрации) атмосферных осадков и увязал это явление с геологическими процессами, протекающими в «слоях земных». Он утверждал, что атмосферная вода <с .. глубоко в Землю проницая, выводит с ключевою водою глубоко потаенные минералы».

       Суть  этой теории заключается в том, что  подземная вода формируется путем  проникновения (инфильтрации) в глубь  Земли дождевых и талых вод. Разнообразие Химического Состава вод объяснялось. растворением и выщелачиванием горных пород.

            В настоящее время инфильтрационная теория признается наиболее достоверной в отношении происхождения и формирования большинства пресных и некоторых типов минеральных вод. 

1.3.Седиментационная теория 

             Эта теория так же, как и инфильтрационная, зародилась в глубокой древности, когда пытались установить прямую связь между водами океанов, морей и подземными водами. Инфильтрационпая теория не могла объяснить происхождения высокоминерализованных вод и рассолов глубоних слоев осадочныIx толщ.

             В первоначальной формулировке по этой теории предполагалось, что высокоминерализованные воды в породах являются остаточными (реликтами) водами древних морей, которые образовались одновременно с отложением осадков в морских бассейнах и сохранившие свой состав в неизменном виде до настоящего времени.

В такой  упрощенной форме происхождения  подземных вод эта теория называлась реликтовой, или погребенной. Подобные представления на происхождение и формирование соленых вод оказались вскоре в явном противоречии с данными геологической :истории формирования осадочных образований, а также и гидрогеологическими и гидрогеохимическими фактами.

            Среди русских и советских геологов и гидрогеологов в отношении возможности сохранения вод древних морей в осадочных толщах и участии их в формировании соленых вод и рассолов существуют' различные ТОЧJ(И зрения. Большинство исследователей (Н. И. Андрусов, В. И. Вернадский, А. д. Архангельский, Н. :К. Игнатович, А. Н. Бунеев, Г. Н. Каменский, К. И. Маков, А. М. Овчинников и• др.) считают вполне возможным сохранение в определенных естественных условиях на больших глубинах измененных при высоких давлениях и температурах соленых вод морского генезиса. Они полагают, что в при родных условиях широко распространены воды морского генезиса, образовавшиеся одновременно с осадконакоплением (сингенетические) или проникшие в ранее сформировавшиеся осадки из морских бассейнов (эпигенетические) и подвергшиеся глубокой метаморфизации в процессе диагенеза осадков. Подобные взгляды исследователей положили начало историко-геологическому направлению в выяснении происхождения соленых вод и рассолов. глубокозалегающих осадочных толщ.

             Другие концепции формирования соленых вод и рассолов в толщах земной коры в той или иной степени допускают или даже полностью отрицают участие вод морского генезиса в их формировании. Из них необходимо отметить гипотезы внутрипластового испарения (В. А. Сулин, М. Е. Альтовский И др.), фильтрационного эффекта (Д. С. Лоржинский И др.), гравитационной дифференциации ионов (1\. В. Филатов), трансляционного передвижения ионов (о. я. Самойлов, Д. С. Соколов) и молекулярно-диффузионного массопереноса (С. и. Смирнов).

             Гипотезы внутрипластового испарения и гравитационной дифференциации ионов подверглись резкой критике и в настоящее .время Считаются несостоятельными. Гипотеза формирования соленых вод в результате фильтрационного эффекта пока не имеет твердого обоснования.

Гипотезы  трансляционного движения молекул  воды и ионов и особенно молекулярно-диффузионного  массопереноса в формировании солености  подземных вод и гидрогеохимической зональности .артезианских бассейнов  заслуживают внимания и дальнейшего изучения. 
 

1.4.Ювенильная  теория 

              Ювенильная означает юная.  Так называют воду, выделяющуюся из магмы и до своего появления на поверхности Земли еще не участвовавшую в общем круговороте воды. Как уже отмечалось, на ранних этапах образования Земли и гидросферы вода явилась результатом дегазации мантии.              Таким образом, по генезису, основываясь на гипотезе А.П. Виноградова, все воды на Земле являются ювенильными. Однако такое предположение оказалось возможным высказать только в наше время, когда накоплен огромный исследовательский материал. Тем не менее даже в настоящее время этот вопрос нельзя считать окончательно решенным.

В XVI в. Агрикола высказал мысль, что в земной коре могут сгущаться пары воды, идущие снизу с больших глубин. Это предположение в то время не получило развития и поддержки.

              В 1902 г. известный австрийский геолог Э. 3юсс выступил с ювенильной теорией происхождения подземных вод. Согласно его последним взглядам образование многих минеральных вод, особенно горячих и газирующих, происходит за счет выделения паров из магмы, которые, конденсируясь в более холодных сферах, поднимаются по глубоким тектоническим трещинам и разломам и появляются на поверхности в виде минеральных источников.

             Детальное изучение минеральных и термальных вод (высоко-температурных) источников, проведенное Н. Н. Славяновым, А. М. Овчинниковым, С. и. Набоко и другими исследователями, не подтверждает, однако, ювенильного происхождения глубоких подземных вод. Напротив, многие данные указывают на то, что глубокие термальные и минеральные воды нередко тесно связаны с водами верхней зоны земной коры и имеют атмосферный или морской генезис.

В настоящее  время большинство исследователей не отрицают возможность образования  какого-то количества ювенильной воды в магматических очагах. Однако доля их в общем балансе подземных вод, по-видимому, незначительна.

Ф. П. Саваренский указывает на другие возможные источники образования подземных вод. Известно, что довольно многие минералы и горные породы содержат в своем составе химически связанную гидратную кристаллизационную воду.

Горные  породы и минералы, содержащие химически связанную воду, при изменении физико-химических условий равновесия могут выделить часть воды. Так, горные породы и минералы выделяют воду при тектоническом погружении. При обратном процессе, т. е. при поднятии горных пород в верхние зоны земной коры или, например, при вынесении минеральных соединений на поверхность подземными водами, образуются другие минералы, содержащие химически связанную воду. Следовательно, в недрах земли подземная вода может переходить в связанную воду, которая при соответствующих условиях вновь станет капельно-жидкой и поступит в общий круговорот воды. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Глава 2. Классификация  подземных вод 

      По  условиям залегания выделяют три  типа подземных вод: верховодку, грунтовые  и напорные, или артезианские.

      Верховодкой называются подземные воды, залегающие вблизи поверхности земли и отличающиеся непостоянством распространения и  дебита. Обычно верховодка приурочена к линзам водоупорных или слабо проницаемых горных пород, перекрываемых водопроницаемыми толщами. Верховодка занимает ограниченные территории, это явление – временное, и происходит оно в период достаточного увлажнения; в засушливое время гола верховодка исчезает. Верховодка приурочена к первому от поверхности земли водоупорному пласту. В тех случаях, когда водоупорный пласт залегает вблизи поверхности или выходит на поверхность, в дождливые сезоны развивается заболачивание.

      К верховодке нередко относят почвенные воды, или воды почвенного слоя. Почвенные воды представлены почти связанной водой. Капельно-жидкая вода в почвах присутствует только в период избыточного увлажнения.

      Грунтовые воды. Грунтовыми называются воды, залегающие на первом водоупорном горизонте  ниже верховодки. Обычно они приурочены к выдержанному водонепроницаемому пласту и характеризуются более  или менее постоянным дебитом. Грунтовые  воды могут накапливаться как в рыхлых пористых породах, так и в твёрдых трещиноватых коллекторах. Уровень грунтовых вод представляет собой неровную поверхность, повторяющую, как правило, неровности рельефа в сглаженной форме: на возвышенностях он ниже, в пониженных местах – выше. Грунтовые воды перемещаются в сторону понижения рельефа.

      Уровень грунтовых вод подвержен постоянным колебаниям. Как отмечалось выше, на него влияют различные факторы: количество и качество выпадающих осадков, климат, рельеф, наличие растительного покрова, хозяйственная деятельность человека и многое другое.

      Грунтовые воды, накапливающиеся в аллювиальных отложениях – один из источников водоснабжения. Они используются как питьевая вода, для полива. Выходы подземных вод  на поверхность называются родниками, или ключами.

      Напорные, или артезианские воды. Напорными  называют такие 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. Область питания у артезианских вод обычно лежит выше области стока воды и выше выхода напорных вод на поверхность Земли. Если в центре такой чаши, или мульды, заложить артезианскую скважину, то вода из нее будет вытекать в виде фонтана по закону сообщающихся сосудов.