Подземные воды

Российский  Университет Дружбы народов

Экологический факультет  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

КУРСОВАЯ  РАБОТА

по географии 

тема: «Подземные воды» 
 
 
 
 
 
 

Выполнила:

Студенка 1 курса 101 группы

Чехлова Т.В.

Научный руководитель:

Маршева  Н.В. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Москва, 2010

Содержание

Введение……………………………………………………………………………..2

Понятие науки «Гидрогеология»  и ее история…………………………………3

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
  • Источники подземных вод……..…………………………………………...16
  • Химический состав подземных вод…………………………….………….17
  • Подземные воды и геоэкология…………………………………..……..…19

Заключение…………...……………………………………………………………21

Список  используемой литературы и электронных ресурсов………...…….22 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Введение 

      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:

  1. рассмотреть процесс формирования подземных вод
  2. разобрать типы подземных вод по условиям их залегания
  3. проанализировать химический состав и источники подземных вод
  4. определить практическое значение использования подземных вод

     Понятие науки «Гидрогеология» и ее история  

     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.

     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, после чего обособилось в отдельную дисциплину [5]. 
 
 
 

     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. 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 [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 км3, 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 км3, 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 км3 воды, или всего лишь 0,3% объема гидросферы (табл. 1) [7].

        Табл. 1 Распределение вод на Земле. 

Части гидросферы Площадь распространения, тыс. км2 Объем воды, тыс. км3 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].

     Табл. 2 Прочность и проницаемость горных пород

    Горные  породы Пористость, % Проницаемость
    Гравий  и галечник 25 – 40 Очень хорошая
    Песок 30 – 50 Хорошая
    Глина 35 – 80 Очень плохая
    Морская морена 10 – 20 Очень плохая
    Конгломераты 10 – 30 Средняя
    Песчаники 20-30 Хорошая
    Известняки 0 – 50 Средняя
    Вулканические породы 0 – 50 Плохая –  отличная
    Граниты монолитные 0 – 5 Очень плохая
    Граниты трещиноватые 5 – 10 Плохая

 
 

Виды  воды в горных породах 

    В настоящее время выделяют несколько  типов вод, находящихся в горных породах:

  1. Прочносвязанная (гигроскопическая) 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.
  2. Рыхлосвязанная (пленочная) 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.
  3. 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 (рис. 3) [10].

Рис.3. Прочносвязанная, рыхлосвязанная и капельно-жидкая вода.

а - частицы с неполной гигроскопичностью; б - частицы с полной гигроскопичностью; в, г - частицы с рыхлосвязанной водой (вода движется от частицы с г к частице в); д - частицы с гравитационной водой

  1. 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.
  2. Вода в виде пара содержится в воздухе, который заполняет пустоты, поры и трещины горных пород. Она находится в динамическом равновесии с другими видами воды, а также с парами воды в атмосфере и обладает большой подвижностью.
  3. Кристаллизационная вода находится в составе кристаллической решетки некоторых минералов. Если эти минералы нагревать, то вода высвобождается из кристаллической решетки.
  4. Капиллярная вода 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 1,5–3м [5].
 

Происхождение подземных вод 

      По  своему происхождению подземные  воды бывают: инфильтрационные; конденсационные; седиментогенные; магматогенные, или ювенильные; метаморфогенные, или возрожденные.

      1) Инфильтрационные подземные воды возникают из вод атмосферного происхождения, которые тем или иным путем просачиваются на глубину. Ими являются дождевые или талые атмосферные осадки. Доказательством атмосферного происхождения инфильтрационных вод является повышение уровня воды в колодцах при обильном выпадении атмосферных осадков или при быстром таянии мощного снежного покрова и понижение этого уровня в засушливые годы. В отдельных случаях инфильтрационные воды питаются фильтрующими водами из рек, озер, водохранилищ и каналов.

          2) Конденсационные подземные воды возникают в результате конденсации водяных паров воздуха в порах и трещинах. Очень часто процесс конденсации происходит в тех климатических зонах, где мало выпадает атмосферных осадков, а испаряемость велика, например в пустынях. В результате конденсации в пустынях под песчаными толщами на водоупорных горизонтах возникают линзы пресных вод, которые нередко располагаются над солеными грунтовыми водами.

    3) Седиментогенные подземные воды (от лат. «седиментум» — осадок) имеют морское происхождение и вследствие этого они представляют собой высокоминерализованные (соленые) подземные воды, залегающие в глубоких слоях толщ осадочных пород. Такие воды возникли в результате захоронения насыщенных водой морских осадков и их преобразования входе диагенеза, т. е. преобразования осадка в горную породу.

    В некоторых случаях в толщах осадочных  пород смешиваются воды различного происхождения. Особенно сильные изменения претерпевают воды морского генезиса при тектонических погружениях и при погребении их среди мощных слоев осадочных толщ. Они погружаются на значительные глубины в условиях повышенных температур и давлений.

    4) Магматогенные, или ювенильные подземные воды (от лат. «ювенилис» — юный). Давно было обращено внимание, что в областях современной или недавней вулканической деятельности присутствуют источники минерализованных вод с довольно высокими температурами (термальные воды). В 1902 г. Э. Зюсс для объяснения происхождения таких вод выдвинул ювенильную гипотезу. По его представлениям такие воды образовались из паров воды, выделяющихся при остывании магмы. Эти воды возникают в результате вулканической деятельности или проникают в приповерхностные части из глубинных сильно нагретых магматических тел, в которых первоначально находится 7— 10 % воды. В процессе кристаллизации магмы и образования магматических пород вода отжимается и по трещинам и разломам поступает в земную кору и местами изливается на поверхность.

    Выделившиеся  из магматического расплава пары воды конденсируются, насыщаются различными газовыми компонентами и, перемещаясь  вверх по трещинам и разломам, пересекают толщи, насыщенные водами другого происхождения. Поэтому вблизи земной поверхности мало вод исключительно ювенильного происхождения. Чаще распространены воды смешанного характера.

    5) Метаморфогенные подземные воды. Такие воды еще называют возрожденными или дегидратационными. Они образуются при метаморфизме осадочных пород или минеральных масс, содержащих в значительных количествах кристаллизационную воду или газово-жидкие включения. К таким породам относятся карбонаты, сульфаты или хлориты [2]. 

    Типы подземных вод по условиям их залегания 

Исходя  из условий залегания и по гидравлическим признакам подземные воды в верхней части земной коры разделяются на два типа (рис. 4) [11]:

  • безнапорные, к которым относятся почвенные воды, верховодка, межпластовые воды и грунтовые воды;
  • напорные или артезианские.

    Рис. 4 Классификация подземных вод по условиям их залегания

     Безнапорные подземные воды 

     Почвенные воды распространены в почвенном слое. Они возникли в результате инфильтрации атмосферных осадков, талых вод и конденсации атмосферной влаги. Качество почвенных вод и их состояние определяются тремя основными факторами: увлажненностью почвы, толщиной зоны аэрации и текстурно-структурными особенностями и составом почвенного горизонта. На территориях, где толщина зоны аэрации большая, а грунтовые воды располагаются глубоко, в почвенном горизонте возникают капиллярные воды, которые заполняют пространства между зернами. Толщина таких капиллярных вод составляет первые десятки сантиметров, и они в свою очередь зависят от мощности самого почвенного горизонта. При неглубоком залегании грунтовых вод возможна подпитка почвенного горизонта за счет таких вод. В этом случае почвенные воды поднимаются вверх по капиллярам.

     Верховодка – подземные воды, залегающие вблизи поверхности земли и отличающиеся непостоянством распространения и дебита. Верховодка приурочена к первому от поверхности земли водоупорному пласту, имеющему ограниченное распространение. Верховодка существует в период достаточного увлажнения, а в засушливое время исчезает. В тех случаях, когда водоупорный пласт залегает вблизи поверхности или выходит на поверхность, развивается заболачивание. 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.

     Межпластовые воды обычно располагаются в водопроницаемых породах, которые сверху и снизу ограничены водонепроницаемыми слоями. Часто они приурочены к приподнятым пластам междуречных массивов в условиях расчлененного рельефа. Обычно они выходят в береговых склонах оврагов, рек и других водоемом в виде нисходящих источников (рис. 5) [12].

     

     Рис. 5 Схематический гидрогеологический разрез части речной долины 
1, 2 - водопроницаемая порода, 3- рыхлая горная порода, 4- водоупорный слой, 5- известняки трещиноватые, 6- уровень верховодки, 7- уровень грунтовых вод, 8- уровень межпластовых ненапорных вод, 9- уровень артезианских вод, 10- источники нисходящие, 11- направление восходящий источник, 12- разгрузка артезианских вод 

     Грунтовыми называются воды, залегающие на первом водоупорном горизонте, выдержанном по простиранию, 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 [5].

     Во  время весеннего половодья и  паводков уровень воды в реке, поднимаясь выше уровня речного потока, направленного к реке, вызывает отток воды из нее и подъем уровня грунтовых вод. Это снижает высоту уровня весенних половодий. На спаде грунтовые воды начинают питать реку, и уровень грунтовых вод понижается (рис. 6) [13].

Рис. 6 Различные случаи соотношения речных и грунтовых вод: 
А - уровень грунтового потока наклонен к реке (обратное соотношение в период половодья); Б - уровень грунтовых вод наклонен от реки (питание происходит за счет инфильтрации речных вод);

1- водопроницаемая порода; 2- водонепроницаемая порода; 3- уровень подземных вод 

     Напорные  подземные воды 

     К напорным подземным водам относятся подземные воды водоносных горизонтов, располагающиеся между водоупорными пластами горных пород. Они занимают большие пространства и находятся вне сферы воздействия существующих местных рек, овражно-балочной сети и других понижений.

     Такие напорные воды получили название артезианских от провинции Артуа (в древности Артезия) во Франции, где впервые в Европе их стали добывать с помощью трубчатых колодцев, из которых воды самоизливались.  
Водоносные горизонты, содержащие напорные межпластовые воды, связаны с определенными отрицательными структурами. По условиям залегания выделяются артезианские бассейны.

     Артезианские  бассейны представляют собой группу артезианских водоносных горизонтов, занимающих значительные территории. В каждом артезианском бассейне выделяются: область питания — территории выхода на дневную поверхность водоносных пластов, которые занимают высокие гипсометрические уровни; область разгрузки, или дренирования — места выхода на поверхность водоносного горизонта на более низких гипсометрических уровнях. Разгрузка может осуществляться в виде источников с восходящим потоком вод или выход воды в рыхлые отложения под дном рек или на дно морей; область напора — основная площадь распространения артезианских вод, расположенная между областями питания и разгрузки. В области напора уровень напорных вод всегда располагается выше кровли водоносного горизонта (рис. 5) [2].

Рис. 5. Артезианские напорные воды: l – длина, h – высота, 1 – водоносный горизонт, 2 – водоупорный горизонт, 3 – фонтанирующая скважина, 4 – осадки.

     Размеры артезианских бассейнов, приуроченных к прогибам и впадинам платформенных областей, колеблются от сотен км2 до первых тысяч км2. Такие бассейны содержат огромные объемы вод питьевого качества. Воды настолько высокого качества, что они широко используются для питьевого и промышленного водоснабжения крупных городов и мегаполисов. [2] 

     Источники подземных вод 

     Естественные выходы подземных вод на поверхность в виде ключей или родников называются источниками. Чаще всего они приурочены к долинам рек, оврагов, балок, прорезывающих водоносные горизонты, и к берегам озер и морей. Среди источников различают нисходящие и восходящие (рис. 6) [14].

Подземные воды