Понятие о гидросфере

Физические свойства грунтов

Подземные воды находятся в верхней толще земной коры, включая кору выветривания, и почвенный слой. Эту толщу в гидрогеологии называют горными породами, в гидрологии - почвогрунтами. Будем называть ее для краткости просто грунтом. Режим подземных вод во многом определяется физическими и водными свойствами вмещающих их грунтов.

!К числу основных физических свойств грунта относятся его плотность, гранулометрический состав и пористость.

Различают плотность сухого грунта и плотность грунта при естественной влажности. Плотность грунта отличается от плотности его «скелета», зависящей от характера вещества или минерала.

Плотность грунта - это отношение массы однородного грунта к его объему, слагающего грунт.

Поскольку грунт состоит не только из скелета, но и из пор, заполненных либо воздухом, либо водой, либо льдом, плотность как сухого, так и влажного грунта всегда меньше плотности его «скелета». Так, плотность песка (как грунта, а не как минерала) обычно находится в пределах 1200-1500 кг/м³.

Многие рыхлые грунты представляют собой смесь частиц различной крупности. Процентное содержание (по массе) в рыхлых грунтах групп частиц (фракций) различного диаметра называют гранулометрическим составом грунта. Для характеристики гранулометрического состава грунта используют понятие «средний диаметр частиц грунта».

Практически все грунты (как рыхлые, так и скальные) обладают скважностью (пустотностью), под которой понимают наличие в грунтах пустот независимо от их размеров, формы и происхождения. Скважность, обусловленная порами, т.е. промежутками (обычно <0.1мм) между отдельными частицами, называется пористостью. Скважность, обусловленная трещинами в грунте, называется трещиноватостью. Скважность, обусловленную наличием в грунте крупных (> 1 мм) пустот (каверн), называют кавернозностью.

Грунты (породы, в гидрогеологии - иногда среды), где преобладает один из трех названных выше видов скважности, называют соответственно пористыми, трещинными (трещиноватыми) и каверновыми (В.А. Всеволожский, 1991). К пористым грунтам относятся многие осадочные породы (пески, илы, глины, лессы, суглинки), торф, обломочные породы; к трещинным - многие метаморфические и магматические горные породы; к каверновым - известняки, гипсы и другие породы, подвергаемые выщелачиванию легко растворимых соединений, например в районах проявления карста.

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

Пористость - одна из важнейших характеристик грунта, определяющих его способность пропускать воду. Разные грунты обладают различной пористостью:

Грунт (горная порода)    Средние значения коэффициента пористости, %

Торф	80
Ил	50
Лёсс	45
Песок	25-35
Суглинки	35
Глины	20-40
Сланцы	4
Гнейсы	2
Мрамор	2
Гранит	1

Заметим, что иногда не разделяют понятий «скважность» и «пористость» и коэффициент пористости используют для характеристики скважности (пустотности) любых грунтов.

Виды воды в порах грунта

        Вода в порах грунта подвержена влиянию различных физических сил и находится в различном состоянии.

Основные силы, действующие на воду в порах грунта,- это силы молекулярного взаимодействия (между разными молекулами воды, между молекулами воды и частицами грунта); капиллярные силы, обусловленные поверхностным натяжением воды; силы тяжести и гидростатического давления: сосущая сила корневой системы растений (десукция), обусловленная осмотическим процессом.

 

Водные свойства грунтов

 

Водные свойства грунтов определяются их физическими свойствами и содержанием в них воды. К основным водным свойствам грунтов относятся влажность, влагоемкость, водоотдача, водопроницаемость, капиллярность. Фактическое содержание воды в грунтах называют их влажностью. Влажность - это отношение массы воды к массе сухого грунта, выраженное в %. Часто вместо массовой влажности используют понятие объемная влажность.

Влагоемкость грунта называют его способность вмешать и удерживать определенное количество воды. Под полной влагоемкостью понимают суммарное содержание в грунте всех видов воды при полном заполнении всех пор. Полная влагоемкость - это максимально возможная влажность для данного грунта.

Кроме полной влагоемкости выделяют наименьшую влагоемкость характеризующую количество гигроскопической, пленочной и капиллярной влаги, остающейся в грунте после окончания свободного отекания воды (она составляет для песков 3-5 %, супесей 10-12 %, суглинков и глин 12-22%).

По аналогии с дефицитом влажности воздуха используют и понятие дефицита влажности грунта (или недостатка насыщения). Он равен разности между полной влагоемкостью и фактической влажностью грунта. Дефицит влажности обычно выражают в процентах.

Водоотдачей называется способность водо-насыщенных грунтов отдавать воду путем свободного стекания. Коэффициент водоотдачи представляет собой отношение объема стекающей из грунта свободной (гравитационной) воды к объему всего грунта, выраженное в долях единицы или в процентах. Удельная водоотдача - это количество воды, которое можно получить из 1 м³ грунта. Наибольшей водоотлачей обладают крупнообломочные породы. Водоотдача глин ничтожна.

Водопроницаемостью грунтов называют их способность пропускать через себя воду под действием силы тяжести или градиентов гидростатического давления. Водопроницаемость зависит от размера и формы частиц грунта, от размера и количества пор и трещин в грунте, его гранулометрического состава. Чем больше размер частиц грунта и однороднее его состав, тем больше его водопроницаемость. Если промежутки между крупными частицами грунта заполнены более мелкими частицами, водопроницаемость грунта снижается.

Водопроницаемость грунтов - очень важная характеристика при исследовании движения подземных вод.

Таблица I

Классификация грунтов по степени водопроницаемости

 

Группы грунтов	Тип грунта	Коэффициент фильтрации, м/сут
Высокопроницаемые	Гравий,   галька,   сильно закарстованные породы	> 100
Хорошо водопроницаемые	Крупнозернистые        пески. сильно трещиноватые породы	10-100
Водопроницаемые	Средне- и мелкозернистые пески, умеренно трещиноватые и закарстованные породы	0,1-10
Слабоводопроницаемые	Суглинки,   супеси,   песчанистые глины, слаботрещинонатые породы	10-3-10-1
Весьма слабоводопроницаемые	Тяжелые суглинки, глины	10-6 – 10-3
1 практически водонепроницаемые (водоупоры)	Плотные глины, нетрещиноватые скальные породы	<10-6 -

Грунты по степени водопроницаемости подразделяют на шесть групп (табл. 1).

Важно обратить внимание на то, что глины, несмотря на большую пористость благодаря очень малым размерам пор обладают ничтожной водоотдачей и соответственно являются в целом водонепроницаемыми. Однако глинистые слои могут, хотя и медленно, все же фильтровать воду. Это необходимо учитывать при оценке питания подземных вод через толщи глины.

Капиллярностью грунта называют его способность содержать и пропускать капиллярную воду. Высота капиллярного поднятия зависит от размера капиллярных пор, гранулометрического состава грунта, температуры воды и других характеристик. Чем мельче крупность частиц грунта и мельче поры, тем больше высота капиллярного поднятия. Понижение температуры и увеличение минерализации воды ведут к увеличению вязкости воды и увеличению сил поверхностного натяжения, что повышает высоту капиллярного поднятия.

Высота капиллярного поднятия воды над уровнем грунтовых вод обратно пропорциональна диаметру капиллярных каналов и крупности частиц грунта. При диаметре зерен грунта более 2-2,5 см капиллярного поднятия не происходит. Высота капиллярного поднятия Н в некоторых грунтах приведена ниже:

Грунт Н, см

Песок крупнозернистый 2,0-3,5

среднезернистый 3,5-12,0

мелкозернистый 35-120

Супесь 650-1200

Глины 350-650

Суглинки 120-350

 

 

 

Классификации подземных вод

Подземные воды классифицируют по происхождению, физическому состоянию, а также по характеру вмещающих их грунтов, гидравлическим условиям, температуре, минерализации и химическому составу, характеру залегания.

По характеру вмешаюших воду грунтов подземные воды подразделяют на паровые, залегающие в рыхлых пористых грунтах; пластовые, залегающие в пластах осадочных горных пород; трещинные, залегающие в плотных, но трещиноватых осадочных, магматических и метаморфических горных породах; трещинно-жильные, залегающие в отдельных тектонических трещинах.

По гидравлическим условиям подземные воды подразделяют на напорные (артезианские и глубинные) и безнапорные (грунтовые).

По температуре подземные воды делятся на исключительно холодные (ниже 0°С), весьма холодные (4- 20 ^ºС), теплые (20-37 ^ºС), горячие (37-42 ^ºС), весьма горячие (42-100 °С), исключительно горячие (более 100 °С). К так называемым термальным водам относят воды температурой более 20 °С. Если такие воды имеют лечебное значение (обычно это воды и специфического химического состава), их называют термами. Они встречаются, например, на Кавказе и на Камчатке.

Подземные воды, оказывающие бальнеологическое воздействие на организм человека, называют минеральными. Они подразделяются на углекислые (например, северокавказские минеральные воды - боржоми, нарзан); сульфидные, или сероводородные (например, воды Мацесты); железистые и мышьяковистые (минеральные воды Кавказа, Закарпатья, Урала и др.), а также бромистые и йодистые воды, воды с большим содержанием органических веществ (воды в районе Трускавца); родоновые воды (Пятигорск, Цхалтубо) и др.

Наиболее важна в научном и практическом отношении классификация подземных вод по характеру залегания, использующая и некоторые другие классификации.

Классификации по характеру залегания подземных вод (их иногда называют «общими») разрабатывали такие известные гидрогеологи, как Ф.П. Саваренский, A.M. Овчинников, F.B. Пинеккер, СЛ. Шварцев и др. Ниже приведена классификация, в основном базирующаяся на предложениях Л.М. Овчинникова и Е.В. Пинеккера.

Подземные воды на Земле, находящиеся в жидком состоянии, могут быть, прежде всего, подразделены на две большие группы: подземные воды суши и подземные воды под океанами и морями. До настоящего времени гидрогеология занималась по существу лишь подземными водами суши. Подземные воды под океанами и морями изучены еще очень слабо.

Подземные воды суши можно подразделить на подземные воды зоны аэрации и зоны насыщения. Зона аэрации охватывает верхние, не насыщенные водой слои грунтов, включая почву от дневной поверхности до уровня грунтовых вод. Через эту зону осуществляется связь подземных вод с атмосферой. Зона насыщения характеризуется тем, что поры и пустоты в ее пределах полностью заполнены (насышены) жидкой водой. Сверху эта зона ограничена зоной аэрации или зоной многолетнемерзлых грунтов, снизу - глубиной критических температур, при которых существование жидкой воды невозможно. В зоне насыщения на континентах находятся подземные воды трех типов - безнапорные грунтовые, напорные артезианские и глубинные.

Под океанами и морями зона аэрации отсутствует, а в зоне насыщения присутствуют напорные воды, гидравлически как связанные с подземными водами континентов, так и не связанные с ними.

Воды зоны аэрации и грунтовые воды имеют свободную связь с атмосферой и формируются под непосредственным влиянием физико-географических условий. Грунтовые воды, кроме того, связаны с поверхностными водами (реками, озерами и др.) и играют, поэтому важную роль в питании этих водных объектов. Подземные воды участвуют в круговороте воды па земном шаре.

Воды зоны аэрации. Почвенные воды, верховодка, капиллярная зона

Зона аэрации занимает верхний слой почвенно-грунтовой толщи: от земной поверхности до уровня грунтовых вод.

Через зону аэрации осуществляется взаимосвязь атмосферы и грунтовых вод (рис. 2, а).

В этой зоне происходят: инфильтрация дождевых и талых вод, формирование почвенной воды и верховодки, фильтрация гравитационной воды и десукция влаги растительностью с последующей её транспираиией.

Попадая после дождей или таяния снега в грунт, вода расходуется прежде всего на смачивание почвенного слоя и формирование почвенных вод, под которыми понимают временное скопление свободной (гравитационной) и капиллярной воды в почвенной толще.

Эти воды имеют связь с атмосферой и участвуют в питании корневой системы растений.

Почвенные воды обычно просачиваются в более глубокие слои грунта и не образуют постоянного водоносного горизонта. Почвенный сток возникает лишь при сильных дождях или снеготаянии, если в почве имеются наклонные слабо проницаемые прослои и если часть почвы насыщается водой. Мощность слоя с почвенной водой обычно изменяется от нескольких сантиметров до 1-1,5 м.

Выше уровня грунтовых вод в пределах зоны аэрации располагается капиллярная зона (её иногда называют капиллярной каймой). Воды этой зоны (особенно при неглубоком залегании грунтовых вод) часто участвуют в питании почвенных вод и поглощаются корневой системой растений.