Грунтовые воды. 2

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.

Подземные воды образуются различными способами. Как уже отмечалось выше, один из основных способов образования подземной воды – просачивание, или инфильтрация, атмосферных осадков и поверхностных вод (озёр, рек, морей и т.д.). По этой теории, просачивающаяся вода доходит до водоупорного слоя и накапливается на нём, насыщая породы пористого и пористо-трещинноватого характера. Таким образом возникают водоносные слои, или горизонты подземных вод. Поверхность грунтовых вод, называется зеркалом грунтовых вод. Расстояние h от зеркала грунтовых вод до водоупора называют мощностью водоупорного слоя.

Количество воды, просочившийся в грунт, зависит не только от его физических свойств, но и от количества атмосферных осадков, наклона местности к горизонту, растительного покрова. Длительный моросящий дождь создает лучшие условия для просачивания, нежели обильный ливень, так как чем интенсивнее осадки, тем с большей скоростью выпавшая вода стекает по поверхности почвы.

Крутые склоны местности увеличивают поверхностный сток и уменьшают просачивание атмосферных осадков в грунт; пологие, наоборот, увеличивают их просачивание. Растительный покров (лес) увеличивает испарение выпавшей влаги и в то же время усиливает выпадение осадков. Задерживая поверхностный сток, он способствует просачиванию влаги в грунт.

Для многих территорий земного шара инфильтрация является основным способом образования подземных вод. Однако имеется и другой путь их образования – за счёт конденсации водяных паров в горных породах. В тёплое время года упругость водяного пара в воздухе больше, чем в почвенном слое и нижележащих горных породах. Поэтому водяные пары атмосферы непрерывно поступают в почву и опускаются до слоя постоянных температур, расположенного на разных глубинах – от одного до нескольких десятков метров от поверхности земли. В этом слое движение паров воздуха прекращается в связи с увеличением упругости водяных паров при повышении температуры в глубине Земли. Вследствие этого возникает встречный поток водяных паров из глубины Земли вверх – к слою постоянных температур. В поясе постоянных температур в результате столкновения двух потоков водяных паров происходит их конденсация с образованием подземной воды. Такая конденсационная вода имеет большое значение в пустынях, полупустынях и сухих степях. В знойные периоды года она является единственным источником влаги для растительности. Таким же способом возникли основные запасы подземной воды в горных районах Западной Сибири.

Оба способа образования подземных вод – путём инфильтрации и за счёт конденсации водяных паров атмосферы в породах – главные пути накопления подземных вод. Инфильтрационные и конденсационные воды называются вандозными водами (от лат. "vadare" – идти, двигаться). Эти воды образуются из влаги атмосферы и участвуют в общем круговороте воды в природе.

Некоторые исследователи отмечают еще один способ образования подземных вод. Многие выходы этих вод в районах современной или недавней вулканической активности характеризуются повышенной температурой и значительной концентрацией солей и летучих компонентов. Для объяснения генезиса таких вод австрийский геолог Э. Зюсс в 1902 году выдвинул теорию ювенильного (от лат. "juvenilis" – девственный). Такие воды, как считал Зюсс, образовались из газообразных продуктов, в изобилии выделяющихся при дифференциации магматического очага.

Более поздние исследования показали, что чистых ювенильных вод, как их понимал Э. Зюсс, в поверхностных частях Земли не существует. В природных условиях подземные воды, возникшие разными способами, смешиваются друг с другом, приобретая те или иные черты. Однако определение генезиса подземных вод имеет большое значение: оно облегчает подсчёт запасов, выяснение режима и их качество.

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.

Грунтовые воды могут образовываться за счет искусственных гидротехнических сооружений н апример таких, как оросительные каналы. Так, при строительстве Каракумской оросительной системы за счет переброса части стока сибирских рек, в пустынной части значительное количество воды уходило не столько на поливные нужды, сколько на испарение и в грунт. Произошло это вследствие того, что большая часть оросительной системы проходила по песчаным почвам, где коэффициент фильтрации достаточно высок, и несмотря на противофильтрационные меры, падения уровней воды за счет фильтрации воды в грунт были велики. Все это, помимо уменьшения стока рек, приводило к тому, что содержащиеся в грунте соли растворялись грунтовыми водами, и при движении подводных потоков обратно в канал происходило заиление и засоление последнего.

2.Грунтовые воды  и их распространение

Грунтовые воды — это подземные воды первого от поверхности постоянно существующего водного горизонта, расположенного на первом водонепроницаемом слое (глины). Грунтовые воды имеют свободную водную поверхность, которая поднимается или опускается в зависимости от выпавших осадков.

Грунтовые подземные воды заполняют пески разной зерности и цвета, и как правило грунтовые воды залегают близко к поверхности. Выпадающие атмосферные осадки благодаря лёгкой водопроницаемости песков свободно просачиваются и накапливаются в их основании на глинистом ложе. Глубина залегания воды в первых от поверхности песках весьма различна - от 2-3м до 20-25м от поверхности.

Грунтовые воды, в следствии изменчивости пород их вмещающих (пески и супеси), а также выклинивания и замещения песков суглинистыми породами, часто находятся в сложной взаимосвязи между собой и с водами рек и озёр.

Положение зеркала воды грунтовых вод полностью определяется рельефом местности, количеством выпавших осадков и сезоном года. В весеннее и осеннее время года уровень воды на 1-2м выше, чем в летние месяцы. Значительное понижение уровня наблюдается также в зимний период, когда инфильтрация атмосферных осадков почти прекращается. Установлена одиннадцатилетняя цикличность колебания уровня грунтовых вод.

Грунтовые воды используются преимущественно колодцами глубиной от 1-2 до 6-10м.

В условиях влажного климата развиваются интенсивные процессы инфильтрации и подземного стока, сопровождаемые выщелачиванием почв и горных пород. При этом легко растворимые соли — хлориды и сульфаты — выносятся из пород и почв; в результате длительного водообмена формируются пресные Г. в., минерализованные лишь за счёт относительно мало растворимых солей (преимущественно гидрокарбонатов кальция). В условиях засушливого тёплого климата (в сухих степях, полупустынях и пустынях) вследствие кратковременности выпадения и малого количества атмосферных осадков, а также слабой дренированности местности подземный сток Г. в. не развивается; в расходной части баланса Г. в. преобладает испарение и происходит их засоление.

Вблизи рек, водоемов, водохранилищ и т.п. грунтовые воды в значительной степени опреснены и по качеству могу удовлетворять нормам питьевой воды.

Вблизи свалок, скотомогильников, различного рода химических, радиоактивных захоронений грунтовые воды заражены, таким образом являются показателем чистоты почв, местности.

2.1 Зональность  и региональность грунтовых вод.

Различия условий формирования грунтовых вод обусловливают зональность их географического распределения, которая тесно связана с зональностью климата, почвенного и растительного покрова. В лесных, лесостепных и степных районах распространены пресные (или слабоминерализованные) грунтовые воды; в пределах сухих степей, полупустынь и пустынь на равнинах преобладают солёные грунтовые воды, среди которых пресные воды встречаются лишь на отдельных участках.

Грунтовые воды заключены в рыхлых и в слабосцементированных породах (вода пластового типа) или заполняет трещины в коре выветривания (вода трещинного типа). Область питания грунтовых вод обычно совпадает с областью её распространения. Для последних характерны зональности широтная на равнинных и вертикальная на высокогорных областях.

Режим грунтовых вод формируется под воздействием физико-геогрфических факторов (климата, рельефа, поверхностных вод и др.).

Так как области питания и распространения грунтовых вод обычно совпадают. Вследствие этого условия формирования и режим грунтовых вод обладают характерными особенностями, отличающими их от более глубоких артезианских вод: грунтовые воды чувствительны ко всем атмосферным изменениям. В зависимости от количества выпадающих атмосферных осадков поверхность грунтовых вод испытывает сезонные колебания: в сухое время года она понижается, во влажное — повышается, изменяются также дебит, химический состав и температура грунтовых вод. Вблизи рек и водоёмов изменения уровня, расхода и химического состава грунтовых вод определяются характером гидравлической связи их с поверхностными водами и режимом последних. Величина стока грунтовых вод за многолетний период приблизительно равна количеству воды, поступившей путём инфильтрации.

Наиболее значительные запасы грунтовых вод сосредоточены в аллювиальных отложениях речных долин, в конусах выноса предгорных областей, а также в неглубоко залегающих массивах трещиноватых и закарстованных известняков (реже в трещиноватых изверженных породах).

Грунтовые воды в силу относительно лёгкой доступности имеют большое значение для народного хозяйства как источники водоснабжения промышленных предприятий, городов, посёлков, населенных пунктов в сельской местности и т. д..

1. Подземные воды зоны  многолетней мерзлоты

Воды зоны многолетней мерзлоты — подземные воды, приуроченные к зоне многолетней мерзлоты.

Подземные воды в своем распространении тесно связаны с пространственным положением ММП, являющихся водоупором. Одна из первых классификаций подземных вод криолитозоны была предложена Н.И. Толстихиным. Последующие исследования внесли в указанную классификацию уточнения и дополнения. Схема различных категорий подземных вод по отношению к мерзлым породам, предложенная Н.Н. Романовским. В ней выделяются: 1) надмерзлотные воды сезонно-талого слоя, 2) надмерзлотные воды несквозных таликов, 3) воды сквозных таликов, 4) подмерзлотные воды.

Надмерзлотные воды сезонно-талого слоя образуются при оттаивании верхней части пород в летне-осеннее время. Основное питание их происходит за счет атмосферных осадков. Их движение происходит в соответствии с уклоном поверхности Земли с наиболее приподнятых и расчлененных участков к пониженным. На плоских поверхностях движение или очень замедлено, или совсем отсутствует. По составу это преимущественно пресные гидрокарбонатные воды.

К надмерзлотным водам несквозных таликов относятся подозерные, подрусловые и прирусловые пойменные несквозные талики, существующие благодаря отепляющему воздействию водоемов и водотоков. Особое значение имеют подрусловые талые воды, приуроченные к руслам рек и ручьев. Чем больше речной поток, тем шире и мощнее подрусловой талик. Питание этих вод происходит главным образом за счет инфильтрации атмосферных осадков и частично речных вод, вследствие чего они слабо минерализованы. Подрусловые талые воды движутся вдоль долины реки и имеют сток в течение года. Кроме того, в них местами происходит питание и разгрузка глубинных вод. Таким образом, с подрусловыми таликами связаны основные запасы грунтовых вод, что имеет важное значение для целей водоснабжения, особенно в северной части геокриологической зоны. Прирусловые пойменные талики приурочены к прирусловым отмелям, косам, нижним частям пойм, испытывающим временное отепляющее воздействие во время половодий. Поверхностный сток в них является периодическим.

Воды подозерных несквозных таликов характеризуются застойным режимом и в некоторых из них наблюдается сероводородное заражение.

Воды сквозных таликов. Среди них выделяются:

1) инфильтрационные талики, имеющие нисходящее движение и образующиеся в результате инфильтрации атмосферных осадков или инфлюации (втекания) поверхностных вод по зонам разрывных тектонических нарушений или карстовым каналам. Эти воды питают подземные воды глубокого стока (подмерзлотные и межмерзлотные);

2) напорно-фильтрационные талики, подземные воды которых обладают напором и характеризуются восходящим направлением движения. По таким таликам местами происходит разгрузка глубоких подмерзлотных и межмерзлотных вод.

Подмерзлотные воды, располагающиеся непосредственно ниже подошвы многолетнемерзлых пород, называются контактирующими. Они приурочены к различным по составу и проницаемости горным породам и всегда обладают напором. Местами вскрытые буровыми скважинами подмерзлотные воды фонтанируют (рис. 1). Глубина залегания их различна, что обусловлено мощностью ММП, которые являются криогенным водоупором. Температура их также неодинакова. Среди них выделяются воды с положительной и отрицательной температурами. По степени минерализации воды с положительной температурой (>0o С) - пресные и солоноватые. С отрицательной температурой - воды соленые и рассолы. Такие высокоминерализованные воды называют криогалинными или криопэгами. Местами они достигают значительной мощности, как бы наращивая снизу криолитозону. Помимо контактирующих подмерзлотных вод выделяются неконтактирующие, т.е. отделенные от подошвы мерзлой толщи водонепроницаемыми породами. Такие воды в большинстве случаев обладают напором, что подтверждается данными скважин.

. Подземные воды зоны  многолетней мерзлоты (по Н.Н. Романовскому):А - надмерзлотные воды сезонно-талого слоя (СТС); Б - воды сквозного дождевально-радиационного талика; В - надмерзлотные воды подозерного несквозного талика; Г- воды сквозного подруслового талика; Д- внутримерзлотные воды; Е - межмерзлотные воды; Ж - подмерзлотные воды, неконтактирующие, безнапорные; З- подмерзлотные воды, неконтактирующие, напорные; И - подмерзлотные воды, контактирующие, напорные; 1- песчано-галечные отложения, 2- щебень и дресва, 3- щебень и дресва с супесчаным заполнителем,4- трещиноватые сланцы; 5- нетрещиноватые сланцы; 6- зона разлома, 7- граница ММП, 8- граница СТС, 9- уровень подземных вод, 10- направление движения подземных вод, 11- буровые скважины

                                          Рис. 1.