Гидрология подземных вод

МИНИСТЕРСТВО  ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ

 

 

УО «ГОМЕЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  УНИВЕРСИТЕТ 

ИМЕНИ Ф. СКОРИНЫ»

 

 

КАФЕДРА ГЕОГРАФИИ

 

 

 

 

 

 

 

ГИДРОЛОГИЯ ПОДЗЕМНЫХ ВОД

 

 

Текст лекции

(4 часа)

 

 

 

Гомель 2012

 

 

 

 

 

 

Вода в недрах земли  находится в жидком, твердом и  газообразном состоянии, она или циркулирует по трещинам и порам горных пород, подчиняясь силе тяжести, или находится в физически или химически связанном состоянии с минеральными частицами почв, грунтов и горных пород.

 

1 Теории происхождения подземных вод

 

Древними философами и натуралистами были выдвинуты  различные теории происхождения подземных вод, которые в современной интерпретации называют:

1. инфильтрационной,
2. конденсационной,
3. седиментационной,
4. ювенильной.

Суть инфильтрационной теории заключается в том, что подземная вода формируется путем проникновения (инфильтрации) вглубь земли дождевых и талых вод. Разнообразие химического состава объяснялось растворением и выщелачиванием горных пород.

Согласно конденсационной теории 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. Т.о. на частицах пород происходит конденсация водяных паров воздуха.

Конденсация водяных  паров воздуха в холодных пористых породах верхних слоев земли  в итоге приводит к накапливанию подземных вод.

Седиментационная теория предполагает, что высокоминерализованные воды в породах являются остаточными водами древних морей, которые образовались одновременно с отложениями осадков в морских бассейнах и сохранили свой состав в неизменном виде до настоящего времени.

Согласно ювенильной теории происхождение подземных вод связано с процессами выделения паров из магмы и их последующей конденсацией.

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

В целом процесс происхождения  подземных вод предполагает совместное проявление главных особенностей всех выше рассмотренных теорий.

 

2 Классификация подземных вод по условиям их происхождения

 

В связи с разными условиями происхождения подземные воды делятся на группы:

1. Вадозные воды –  воды поверхностного происхождения

а) инфильтрационные (просачивающиеся);

б)инфлюационные (свободно втекающие по трещинам и пустотам горных пород);

в) конденсационные.

 

2. Ювенильные воды

а) магматического происхождения (воды выделяются из магматического расплава при вулканической деятельности и внедрении интрузий);

б) метаморфического происхождения (воды перешедшие из минералов и  горных пород в процессе термометаморфизма из связанного состояния в свободное)

 

3. Седиментационные воды.

3. Виды воды в порах горных пород и  почв

Водно-физические свойства горных пород и почв

Горные породы и почвы  содержат различные виды воды. Ее свойства и способы передвижения определяются сочетанием гравитационных и молекулярных сил, действующих между частицами воды и породы. Условия залегания подземной воды, ее запасы и качество в значительной степени определяются водно-физическими свойствами горных пород.

Одними из главных  свойств породы, определяющими ее отношение к воде, являются пористость и скважность.

 Под пористостью понимают наличие в породах малых пустот - капиллярных пор, под скважностью - наличие в породах более крупных, некапиллярных промежутков - скважин различного происхождения и формы.

Иногда совокупность всех пустот объединяют в понятие общей пористости.

Пористость грунтов характеризуется  коэффициентом пористости, который  равен выраженному в % отношению объема пор V_пор к объему всего грунта V_гр в сухом состоянии.

р = (V_пор ÷ V_гр) · 100%

 Пористость колеблется в широких пределах - от долей процента (плотные породы, как, например, гранит, мрамор) до нескольких десятков процентов (зернистые породы и почвы).

У песка пористость 35-42%,

    глины                    35-55%,

    торфа                     60-80%.

Пористость почв и  пород определяет важные водные свойства:

водопроницаемость, водоотдачу и водоудерживающую способность.

Последнее свойство характеризуется влагоемкостью.

Влагоемкостью грунта называют его способность вмещать и удерживать определенное количество воды. Влагоемкость выражается в % отношением веса воды к весу сухой породы.

По степени влагоемкости горные породы подразделяются на группы:

1. сильновлагоемкие (торф, глина);
2. слабовлагоемкие и (пески, лесс, мел)
3. невлагоемкие (крупнообломочные породы: галька, гравий, песок и массивные изверженные и осадочные породы).

Водоотдачей называется способность породы, насыщенной водой, отдавать путем свободного стенания то или иное количество воды.

Характеризуется коэффициентом водоотдачи, т. е. отношением объема стекающей из насыщенной породы воды к объему всей породы, и выражается либо в долях от единицы, либо в процентах.

Водопроницаемость - способность породы пропускать через себя воду. Водопроницаемость и водоотдача зависят от пористости, от размера и формы пор породы. Чем больше диаметр пор, тем лучшей водопроницаемостью и большей водоотдачей обладают породы.

По степени водопроницаемости  породы подразделяются на три группы:

1) водопроницаемые (галечник, гравий, песок)

2) слабоводопроницаемые (супесь, лесс);

3) водоупорные (плотные массивные монолитные породы (мрамор, гранит, базальт) или осадочные мелкозернистые породы (глины, глинистые сланцы).

4 Виды воды в порах горных пород

 

Всю влагу в порах  породы можно разделить на ряд  категорий в зависимости от характера ее передвижения.

Характеристика различных форм воды по Н. А. Качинскому:

1. Химически связанная, или конституционная, вода - входит в молекулу вещества гидроксильной группой, например Fе₂О₃+ЗН₂О → 2Fе(ОН)₃. Удаление химически связанной воды при прокаливании сопровождается распадом минерала.

2. Кристаллизационная вода - является составной частью многих минералов, например гипса (CaSO₄ · 2H₂O), и удаляется из породы нагреванием до 100-200°С или химическим путем.

3. Парообразная вода - находится в порах и пустотах пород и перемещается, как уже указывалось, главным образом под влиянием разности упругостей пара из областей с большей упругостью в области с меньшей.

4. Гигроскопическая вода - это вода, адсорбированная частицами породы из воздуха. Гигроскопическая вода перемещается из одних слоев в другие путем перехода в парообразное состояние. Она может быть отделена от породы только нагреванием. Это свойство резко отличает гигроскопическую воду от других видов воды в породах.

5. Пленочная вода - обволакивает частицы породы сверх максимальной гигроскопичности. Эта вода адсорбируется из жидкой фазы. Она менее прочно связана с минеральными частицами и относится к категории рыхлосвязанной. Растениями усваивается с трудом. Передвигается от частицы к частице под влиянием сорбционных сил.

6. Капиллярная вода - заполняет сравнительно мелкие поры породы. Она удерживается и передвигается в почво-грунтах под влиянием капиллярных сил из зоны большего увлажнения в зону меньшего увлажнения.

7. Гравитационная, или свободная, вода находится в порах и трещинах грунта и перемещается под влиянием силы тяжести. Гравитационная вода передает гидростатический напор, под действием которого воды могут подниматься вверх, как в сообщающихся сосудах.

8. Внутриклеточная вода - содержится в неполностью разложившихся остатках растений в почве. В большом количестве такая вода содержится в болотных почвах и особенно в торфах.

9. В твердом состоянии вода в породах встречается либо в составе мерзлых почв, либо в виде льда (пещерного, ископаемого).

 

 

5 Типы подземных вод по характеру залегания

                                     Почвенные воды

                                     Грунтовые воды

                                     Напорные артезианские воды

 

Почвенные воды

Вода в почве находится  в основном в связанном состоянии. Она удерживается на поверхности  почвенных частиц и перемещается в почве под влиянием молекулярных и капиллярных сил.

В местах избыточного увлажнения в почве может находиться и свободная, просачивающаяся гравитационная вода. Встретив на своем пути водоупорный или относительно водоупорный слой в пределах почвенного разреза, вода накапливается, заполняет поровое пространство вышележащего слоя и образует так называемый горизонт гравитационной подпертой влаги.

Если эти воды находятся  целиком в почвенном слое и  не имеют гидравлической связи с нижерасположенными грунтовыми водами, они называются почвенными водами.

 Если эти воды  гидравлически связаны с грунтовыми водами (постоянно или временно), они называются почвенно-грунтовыми.

Иногда почвенные и  почвенно-грунтовые воды называют верховодкой. К верховодке также относят временные, обычно сезонные скопления грунтовых вод в зоне аэрации, расположенные в виде отдельных линз.

Почвенные воды обладают специфическими чертами, основными из которых являются следующие:

- области питания и распространения совпадают;

- находятся в полной зависимости от метеорологических условий, в связи с чем характеризуются резкими и значительными по амплитуде сезонными и суточными колебаниями температуры ;

- движение их происходит преимущественно в вертикальном направлении (нисходящее), безнапорное, ламинарное.

- участвуют в общем круговороте воды в природе;

- в болотных и торфянистых почвах имеют застойный режим;

- обладают своеобразным химическим составом, в них в высоких концентрациях содержатся кислоты органического происхождения (гуминовая, фульвиновая), придающие им желтый, желтоватый и даже черный и черно-бурый цвет.

 

6 Режим почвенной влаги

 

Выделяют несколько типов водного режима почв:

1. Застойный тип – сума осадков за год на много превышает испарение. В таких условиях часто происходит заболачивание.

2. Непромывной тип характерен для областей, где осадки меньше испарения. В почве часто наблюдается дефицит влажности, наибольший осенью и наименьший весной. Почва промачивается лишь на некоторую глубину, и просачивающаяся влага не достигает уровня грунтовых вод, которые залегают на глубине многих метров.

3. Выпотной тип формируется в засушливом климате (осадки меньше испарения) при условии близкого залегания грунтовых вод, обычно минерализованных. Верхняя граница капиллярной каймы грунтовых вод располагается в нижней части почвенной толщи. Корни растений поглащают влагу из капиллярной каймы, и грунтовые воды как бы «отпотевают» через растения в атмосферу. На глубине поглощения влаги растениями образуется соленосный горизонт.

4. Промывной тип - характерен для областей, где сумма годовых осадков превышает испаряемость. В этих условиях почвенная толща ежегодно подвергается сквозному промачиванию.

7 Грунтовые воды

 

Грунтовые воды - подземные   воды   первого   от   поверхности постоянно действующего водоносного горизонта, залегающего на первом выдержанном по площади водоупорном пласте.

Основные признаки грунтовых вод:

1. В большинстве своем они  являются водами безнапорными, имеют  свободную поверхность и непосредственную связь с атмосферой;

2. Глубина залегания уровня, температура  вод, минерализация, расход подвержены систематическим колебаниям.

3. Область питания совпадает  с областью распространения. 

Питание происходит за счет:

- инфильтрации и инфлюации атмосферных осадков и снеговых вод;

- фильтрации из рек, озер, различных каналов;

- конденсации водяных паров и внутригрунтового испарения;

- подтока (подпитывания) из более глубоких водоносных горизонтов.

4. Имеют широкое, почти повсеместное  распространение в природе; приурочены главным образом к рыхлым отложениям четвертичного возраста; формируются на междуречных массивах, в аллювии древних и современных речных долин, в предгорных конусах выноса, в зоне выветривания трещиноватых массивных пород.