Грунтовые воды

Строго говоря, зеркало  грунтовых вод имеет горизонтальную поверхность только на небольших  сравнительно однородных пространствах. На больших же участках, при различии пород, различии геологического строения и рельефа горизонтальность зеркала  в большей или меньшей степени  нарушается. Возьмем простейший пример: ряд песчаных дюн, приблизительно однородных по своему строению. Зеркало грунтовых  вод здесь будет (несколько ослаблено) повторять форму рельефа (рис. 102).

Причины этого довольно сложны: большее уплотнение песков под гребнями дюн создает иные условия капиллярности, что способствует более высокому стоянию грунтовых вод; оказывает  влияние также различная степень  испаряемости и т. д. Приблизительно то же, только в более сложных формах, мы можем видеть и на других примерах (рис. 103). Последнее необходимо учитывать как при поисках мест для рытья колодцев, так особенно при сооружении подземных хранилищ, погребов, блиндажей и т. д.

Движение грунтовых вод. В тех случаях, когда водоупорный слой имеет форму обширного вогнутого бассейна, грунтовая вода, заполняя бассейн, приобретает характер подземного озера. Понятно, что ряд колодцев, вырытых в районе подобного озера, будет иметь зеркало на одном уровне (рис. 104). Но значительно чаще водоупорный слой бывает наклонен в ту или другую сторону. При отмеченных нами условиях грунтовые воды, подчиняясь силе тяжести, медленно движутся в сторону наклона, образуя подземный поток (рис. 105). Ряд колодцев, вырытых вдоль потока, имеют зеркала на разных глубинах. Понятно, что чем больше колодцев, тем точнее мы можем определить направление и характер подземного потока. В местностях, где нет колодцев или количество их недостаточно, забивают буровые скважины, опускают в скважины трубы и по высоте воды в трубах определяют характер подземного потока.

При изучении подземных потоков  важно бывает определить не только направление, но и скорость потока. Для определения скорости течения  потока применяется обыкновенная поваренная соль. Ее бросают в колодец в  верхней части подземного потока, а потом определяют, через сколько времени соленая вода появляется в других, ниже расположенных колодцах. Раствор азотнокислого серебра (АgNO₃) позволяет заметить даже ничтожную примесь хлористого натрия в воде исследуемых колодцев (получается ясный белый осадок хлористого серебра). Иногда для определения

скорости подземного потока вместо соли применяют бактерии, которые  по своей малой величине легко  проходят через поры грунтов. Скорость течения подземных потоков зависит  от угла наклона водоупорного пласта и еще более от характера грунта. Так, в мелких песках скорость течения  подземного потока достигает приблизительно 1 м в сутки, в крупных песках 2—3 и даже 5 м. В толще галечника, щебня и по трещинам твердых каменных пород подземные потоки движутся значительно быстрее, по нескольку километров в сутки. В глинах, наоборот, скорость проникновения воды даже вглубь не превышает 20 см в год, что и позволяет считать глину практически водонепроницаемой.

Источники. Источники образуются на месте выхода подземных потоков на земную поверхность. Источники (ключи, родники) по своему характеру могут быть весьма различны. В одних случаях это едва заметные ключики, иногда только увлажняющие почву. Места выходов таких источников можно узнать по характеру растительности (осока, тростник, хвощ, мхи). В других случаях это крупные источники, вода которых выбивает и сразу же образует значительный ручей. Однако нередки случаи, когда даже крупные источники не выходят на поверхность, а продолжают течь в толще грунта очень близко от земной поверхности. Подобные скрытые источники можно обнаружить по зарослям камышей, тростников и других водных растений. Действительно, если в таком месте вырыть небольшое углубление, то оно    довольно    быстро    заполняется водой.

Источники с древнейших времен и до наших дней широко используются человеком. Это совершенно понятно, ибо они дают наиболее чистую и  наиболее здоровую воду. Чтобы предохранить источник от загрязнения   его закрепляют деревянным срубом, каменной кладкой   или   бетонными сооружениями. В местах, где поставщиками воды являются главным образом источники, их принимают в особые крытые бассейны, откуда по трубам они направляются на места их использования. Примеры подобных сложных сооружений мы можем видеть на южном побережье Крыма. Приблизительно так же используются крупные источники, дающие воду для снабжения городов, только сооружения здесь носят еще более сложный характер. Площадь питания подобных источников огораживается изгородью, куда не может заходить скот. Такая мера гарантирует здоровую воду источников.

Подземные     потоки,     прежде чем   выйти    на    земную   поверхность,

нередко проделывают большие  и сложные пути под землей. Здесь прежде всего различают источники нисходящие и восходящие (рис. 106).

По температуре воды источники  делятся на:

1) обычные, температура которых приблизительно равна средней годовой температуре данного

места,

2)  холодные, температура которых ниже средней годовой, и

3)   теплые,     температура которых выше средней годовой.

Чем ближе подземный поток  к земной поверхности, тем сильнее  отзываются на нем колебания температуры  воздуха. Так, годовые колебания  достигают 5—10°, а в отдельных  случаях и больше.

Холодные источники встречаются  редко, и то главным образом в  горах, где они питаются талыми водами снегов и ледников.

Теплые источники связаны  чаще всего с местами недавнего  вулканизма.

Особое место занимают так называемые артезианские колодцы. Пробитые на большую глубину буровые скважины дают выход глубоко лежащим подземным водам (рис. 107). Эти воды, находясь под сильным гидростатическим давлением, нередко бьют фонтанами и дают много воды (самые сильные — до 10—15 м³ в минуту).

Минеральные источники. Во время своих подземных перемещений грунтовые воды встречают на своем пути различные вещества, которые могут растворяться в воде. K числу таких веществ относятся известняки, гипсы, поваренная соль, углекислый газ, сероводород и многие другие. Чаще всего в грунтах встречаются известняки (СаСОз) и гипс (CaSO₄). Вода, содержащая в растворе гипс или известь, почти не изменяет вкуса, но отличается тем, что плохо растворяет мыло (плохо мылится). Такую воду люди в общежитии называют «жесткой». При кипячении известь из воды выделяется и образует на стенках сосуда так называемую «накипь», которая всем хорошо известна.

Грунтовые воды, соприкасаясь с засоленными грунтами (в сухих  степях и пустынях) или с залежами поваренной соли, растворяют эту соль и приобретают соленый вкус. Соленые  источники и колодцы встречаются  очень часто и являются хорошими показателями содержания соли в толщах грунтов той или другой местности. Примерами могут служить соленые источники и колодцы Соликамска, Березников, Илецкой Защиты и многие другие.

Нередко в подземных водах  бывают растворены соли железа, углекислый натр, углекислый газ, сероводород и  др.

Количество растворенных в воде солей и газов может  быть различно. В тех случаях, когда  растворенных солей и газов мало, вкус и запах воды не меняется и  воду в этих случаях называют пресной. В тех же случаях, когда растворы на 1 л воды содержат не менее 1 г солей или газов, придающих воде различные вкусы и запахи,— воду называют минеральной, источники же, выделяющие минеральную воду,— минеральными источниками. В зависимости от химического состава минеральных источников их делят на группы:

Подземные воды вулканических  областей. Застывшие лавы благодаря своей трещиноватости и пористости хорошо пропускают воду. Еще лучше пропускают воду вулканические туфы, состоящие из рыхлых продуктов извержения. В силу этого обстоятельства атмосферные осадки, даже при большом их количестве, нередко нацело поглощаются вулканическими образованиями и не дают поверхностных водостоков. В результате поверхность лавовых покровов обычно имеет вид безжизненной пустыни, лишенной воды и растительности.   Темная   или    даже   черная окраска лав усиливает безотрадность открывающейся перед зрителем картины.

Воды, проникающие в толщу  вулканических пород, достигают, наконец, водоупорных подстилающих пород  и образуют здесь значительные скопления  подземных вод. При большой мощности вулканических образований грунтовые  воды оказываются очень глубоко, и, чтобы добраться до них, приходится рыть колодцы в

десятки метров глубиной. Эти  грунтовые воды обычно выступают  по краям лавовых плато в виде чистых, иногда очень многоводных  источников...

Ювенильные воды. Магма, проникающая в толщу земной коры, выделяет большое количество водяных паров, которые, конденсируясь под землей, дают так называемую ювенильную воду. Ювенильные воды образуют источники, которые особенно широко распространены в областях недавнего вулканизма. Ювенильные источники чаще всего бывают горячими или теплыми и нередко минеральными.

Особое место среди  горячих источников занимают гейзеры. Гейзеры периодически бурно вскипают и выбрасывают струи горячей воды и пара. Гейзеры встречаются сравнительно редко и связаны всегда с вулканическими областями. Наибольшей известностью пользуются гейзеры о. Исландии, Иеллоустонского национального парка США, Калифорнии и Новой Зеландии. Большое количество крупных гейзеров находится на Камчатке, несколько южнее группы Кроноцких вулканов. Высота выбрасываемых струй воды и пара некоторых камчатских гейзеров достигает 15—20 и более метров.

На местности, где необходимо определить направление движения грунтовых  вод, выбирают три колодца или  скважины, расположенные в виде треугольника. Для каждого из колодцев Определяют отметки уровней грунтовых вод. Для этого нивелированием определяют вначале отметки земной поверхности у скважины или колодца, затем точно измеряют глубину залегания грунтовых вод и вычислением устанавливают отметки уровней воды в колодцах. 
Искомое направление грунтового потока устанавливают графически. Соединив точки Л, Б и В сплошными линиями, делят сторону АВ, где имеется наибольшая разница в уровнях, на разность отметок, т. е. на пять равных частей. Полагая равномерное падение уровня от колодца А к колодцу В (интерполирование), находят точку Д, уровень которой соответствует уровню воды в колодце Б. Прямая, перпендикулярная к линии, соединяющей точки Д и Б, будет искомым направлением потока, как наиболее короткая, и называется линией гидроизогипс.

Движение подземных  вод

Подземные воды находятся  в постоянном движении. Существует раздел гидрогеологии, изучающий закономерности движения подземных вод, который  называется "Динамика подземных  вод".

Законы движения подземных  вод используются при гидрогеологичеких  инженерных расчетах водозаборов, дренажей, определении притоков воды к строительным котлованам.

Подземные воды передвигаются  в основном путем инфильтрации и  фильтрации.

Под инфильтрацией понимают движение воды при частичном заполнении пор воздухом либо водяными парами.

При фильтрации движение воды происходит при полном заполнении пор(трещин) водой. Масса этой движущей воды создает фильтрационный поток.

Фильтрационные потоки различают  по характеру движения (установившийся и неустановившийся), гидравлическому  состоянию (безнапорные, напорные и  напорно-безнапорные). Движение потоков  в основном ламинарное (параллельным) , в крупных трещинах и пустотах может быть турбулентным (завихряющемся). В плане фильтрационные потоки можно рассматривать как плоские и радиальные (сходящиеся (например к колодцу) и расходящиеся).

Основной закон  фильтрации подземных вод - Закон  фильтрации Дарси

Движение подземных  вод происходит при наличии разности гидравлических уровней (напоров). Воды двигаются от мест с высокими уровнями к местам с низкими уровнями. 

Отношение разности напоров  к длине пути фильтрации называется гидравлическим (напорным) градиентом. Чем градиент выше, тем больше скорость движения.

I = ΔH/l,

где ΔG = H1-H2 -  разность напоров (H);

l - длина пути фильтрации.

Фильтрация в полностью  водонасыщенных водах при ламинарном (параллельном, спокойном, без завихрений) движении воды подчиняется закону Дарси.

Q = КфFI,

где Q - расход воды (кол-во фильтрующей  воды через поперечное сечение F  в единицу времени);

К_ф - коэффициент фильтрации;

F - площадь поперечного  сечения потока воды (водоносного пласта);

I -  Гидравлический градиент.

Введем понятие скорость фильтрации (v) - отношение расхода воды к площади поперечного сечения потока (v = Q/F). Таким образом сформулировать закон Дарси можно как "Скорость фильтрации пропорциональна напорному градиенту"

v = К_фI

Коэффициент фильтрации можно таким образом можно  выразить как скорость фильтрации при  напорном градиенте равном единице.

Скорость фильтрации воды по представленной выше формуле не отвечает действительной скорости движения воды в породе. Это связано с  тем что вода двигается не по всему сечению, а только через его часть, равную площади пор и трещин породы. Действительную скорость движения воды (v_д) определить можно как

v_д = v/n,

где n - пористость породы, выраженная в долях единицы.