Автор работы: Пользователь скрыл имя, 03 Февраля 2014 в 20:00, контрольная работа
Гидросфера (греч. hidro – вода и sphaira – шар) – водная оболочка Земли. Она включает в себя всю химически не связанную воду, независимо от ее состояния: твердую, жидкую, газообразную.
Из 1,4 млрд км3 общего объема вод гидросферы около 96,5% составляют моря и океаны; 1,7% приходится на подземные воды, около 2% – на ледники и постоянные снега (в основном Антарктиды и Гренландии), менее 0,02% – на поверхностные воды суши (реки, озера, болота, искусственные водоемы). Некоторое количество воды находится в атмосфере и в живых организмах. Объем гидросферы постоянно меняется.
Весьма характерно изменение влажности грунта в зоне аэрации после обильного увлажнения (рис. 2, б): по мере приближения к уровню грунтовых вод влажность грунта увеличивается от наименьшей (НВ) до полной влагоемкости (ПВ).
Инфильтрующиеся вертикально вниз под действием силы тяжести воды зоны аэрации, встречая на своем пути относительный водоупор (отдельные прослои или линзы грунтов, обладающие слабой водопроницаемостью), образуют верховодку, т.е. временные, сезонные скопления подземных вод. Мощность верховодки обычно равна 0,4-1,0 м. редко достигает 2-5 м.
Почвенные воды и верховодка обычно пресные. Однако в болотных и торфянистых почвах эти воды могут иметь застойный режим и высокую концентрацию кислот органического происхождения. Воды зоны аэрации легко подвержены загрязнению с поверхности земли.
Воды зоны насыщения. Грунтовые воды
При полном насыщении грунта могут сформироваться как безнапорные (грунтовые), так и напорные (артезианские) воды. Влажность грунта в обоих случаях достигает полной влагоемкости.
Грунтовые воды - это подземные воды первого от поверхности постоянно существующего водоносного горизонта, залегающего на первом выдержанном по площади водоупорном пласте (см. рис. 2). Эти безнапорные гравитационные воды имеют свободную поверхность, называемую уровнем, или зеркалом грунтовых вод.
Грунтовые воды обладают изменчивым режимом, связанным с режимом питания и разгрузки. Области их питания и распространения обычно совпадают.
Расстояние от земной поверхности до уровня (зеркала) грунтовых вод называют глубиной залегания грунтовых вод. Она колеблется практически от нуля в зоне избыточного увлажнения до десятков метров в зоне недостаточного увлажнения. Уровень грунтовых вод испытывает сезонные и многолетние колебания.
Расстояние от кровли водоупорного пласта до уровня грунтовых вод называют мощностью водоносного горизонта. Ее величина изменяется вместе с изменением уровня грунтовых вод. Лежащая выше уровня грунтовых вод капиллярная зона испытывает колебания вслед за колебаниями уровня грунтовых вод.
Минерализация грунтовых вод может быть самой различной: от свойственной пресным водам до характерной для солоноватых или даже соленых вод. В аридных районах сильное испарение грунтовых вод может привести к увеличению их минерализации до значений, характерных для рассола, и к сильному засолению почв. Грунтовые воды наиболее подвержены загрязнению.
Важнейшими процессами, воздействующими на состояние грунтовых вод, являются их питание и разгрузка.
Питание грунтовых вод осуществляется путем инфильтрации через зону аэрации атмосферных осадков, конденсации водяного пара и поглощения вод из водотоков и водоемов (рек, каналов, озер, водохранилищ и т.д.). Иногда в питании грунтовых вод участвуют и более глубокие водоносные напорные горизонты.
По данным В.А. Всеволожского (1991), инфильтрационное питание грунтовых вод на Европейской территории страны составляет от 1 до 60 % атмосферных осадков. В пределах областей достаточного и избыточного увлажнения эта доля составляет в среднем 10-15 % годовой суммы осадков, Эта величина достигает 50-60 % для участков поверхностного распространения трещиноватых и сильно закарстованных пород. Конденсационное питание грунтовых вод в целом составляет около 30 % годового питания. Поглощение поверхностных вод (из водотоков и водоемов) зависит от характера гидравлической связи между поверхностными и грунтовыми водами.
Артезианские и глубинные воды
Артезианские воды - это напорные подземные воды, залегающие в водоносных горизонтах между водоупорными пластами (рис. 3).
Рис. 3. Схема размещения артезианских вод.
Артезианские воды залегают глубже горизонта грунтовых вод и имеют более стабильный режим. Области питания и распространения артезианских вод обычно не совпадают.
При вскрытии артезианского водоносного горизонта скважиной находящаяся под напором вода поднимается по скважине и может даже излиться на земную поверхность (в случае, если линия напора лежит выше уровня земли) (см. рис. 3). Напор в артезианских водах создается в основном гидростатическим давлением, а также геостатической нагрузкой (весом вышезалегаюших пород).
Артезианские воды нередко имеют повышенную минерализацию. Обычно они менее подвержены загрязнению в сравнении с грунтовыми водами.
Артезианскими бассейнами называют такие гидрогеологические структуры синклинального типа, которые содержат один или несколько водоносных горизонтов с напорными водами. Примером артезианских бассейнов могут служить Московский, Терско-Кумский и др.
Глубинные воды - это расположенные на больших глубинах напорные подземные воды, испытывающие воздействие геостатического давления и эндогенных сил. Глубинные воды обнаружены в глубоких зонах тектонических нарушений и в глубоких частях осадочных толщ в артезианских бассейнах. Изучены они еще недостаточно.
Движение подземных вод
Под влиянием капиллярных сил, силы тяжести и градиентов гидростатического давления подземные воды приходят в движение. Движение подземных вод в зонах аэрации и насыщения существенно различается.
В зоне аэрации происходит проникновение атмосферных осадков и поверхностных вод в грунт, называемое просачиванием (инфильтрацией). Различают свободное просачивание и нормальную инфильтрацию. В первом случае движение воды в грунте вертикально вниз происходит под действием силы тяжести и капиллярных сил в виде изолированных струек по капиллярным порам и отдельным канальцам; при этом пористое пространство грунта остается не насыщенным водой и в нем сохраняется движение атмосферного воздуха, что исключает влияние гидростатического давления на движение воды. Во втором случае движение воды происходит сплошным потоком под действием силы тяжести, градиентов гидростатического давления и капиллярных сил; поры заполнены водой полностью.
Инфильтрационная вода может либо достичь уровня грунтовых вод и вызвать его повышение, либо остаться в зоне аэрации в виде капиллярно-подвешенной воды.
В зоне насыщения под действием силы тяжести и гидростатического давления свободная (гравитационная) вода по порам и трещинам грунта перемещается в сторону уклона поверхности водоносного горизонта (уровня грунтовых вод) или в сторону уменьшения напора. Это движение называется фильтрацией Дарси.
vф=KфI,
где vф - скорость фильтрации: Кф - коэффициент фильтрации; I - гидравлический уклон, равный либо уклону поверхности уровня грунтовых безнапорных вод (этот уклон пропорционален продольной составляющей силы тяжести), либо градиенту пьезометрического напора (пропорционального градиенту гидростатического давления) у напорных артезианских вод.
Движение свободной (гравитационной) воды как при нормальной инфильтрации в зоне аэрации, так и при фильтрации в зоне насыщения имеет в мелко пористых грунтах ламинарный режим.
Скорость фильтрации (м/сут, мм/мин или см/с) - это отношение расхода фильтрационного потока к площади поперечного сечения в пористой среде.
Поскольку в пористой среде площадь поперечного сечения больше суммарной площади пор, скорость фильтрации всегда меньше действительной скорости движения воды в порах грунта.
Коэффициент фильтрации характеризует водопроницаемость грунтов. Он зависит от количества и размера пор и от свойств фильтрующейся жидкости. Коэффициент фильтрации, как это следует из формулы Дарси, численно равен скорости фильтрации при гидравлическом уклоне, равном I.
Коэффициент фильтрации выражают в единицах скорости: м/сут, м/ч, м/с, см/с, мм/мин и т.д. Это - очень важная характеристика, используемая при изучении движения подземных вод. Коэффициент фильтрации отражает водопроницаемые свойства грунта. Ориентировочные значения коэффициента фильтрации для некоторых грунтов были приведены в табл. 1. При сравнении коэффициентов фильтрации и пористости грунтов обращает на себя внимание факт резкого уменьшения коэффициентов фильтрации у суглинков и глин, несмотря на их повышенную пористость. Объясняется это тем, что мелкие поры этих грунтов заполнены пленочной и капиллярной водой, препятствующей движению свободной (гравитационной) воды. Коэффициент фильтрации обычно определяют экспериментальным путем.
Рассмотрим некоторые особенности движения подземных вод в зоне аэрации и в зоне насыщения (отдельно для безнапорных грунтовых и напорных артезианских вод).
Проникновение дождевой или талой воды с поверхности земли в зону аэрации, т.е. инфильтрация, характеризуется скоростью инфильтрации vинф (выражается обычно в мм/мин). На первой стадии инфильтрации (свободное просачивание) vинф достигает наибольших значений. По мере заполнения пор водой свободное просачивание переходит в нормальную инфильтрацию и её скорость существенно уменьшается, в пределе достигая коэффициента фильтрации Кф. Кривая уменьшения vинф во времени в процессе насыщения грунта водой называется кривой инфильтрации.
Как следует из формулы Дарси, для определения скорости фильтрации в зоне насыщения необходимо знать величину гидравлического уклона. Для безнапорных грунтовых вод уклон определяют через величину падения уровня грунтовых вод ΔН на расстоянии L: ΔH/L=(H1-H2)/L-. При этом расстояние L определяется не по горизонтали, а вдоль поверхности (зеркала) грунтовых вод (рис. 5, а).
Расход фильтрационного потока грунтовых вод определяют по формуле Qф=vфωп при известной скорости фильтрации vф, и площади поперечного сечения слоя ωп.
Свободную поверхность потока грунтовых вод называют кривой депрессии (рис. 5, а).
Кривую пьезометрического напора называют пьезометрической кривой (рис. 5, б).
В крупнообломочных, сильно трещиноватых или закарстованных породах скорости движения подземных вод могут быть значительными, и режим потока в этих случаях становится турбулентным.
Линейный закон фильтрации Дарси может быть нарушен и по другой причине. Как указывает В.А. Всеволожский (1991), это может произойти при небольших скоростях фильтрации в тонкодисперсных породах, и связано с проявлением сил молекулярного взаимодействия части и воды и породы при вязкопластичном характере движения воды.
Водный баланс подземных вод
Водный баланс земной поверхности и подземных вод (вод зоны аэрации и грунтовых вод) необходимо изучать совместно. Рассмотрим часть небольшого речного бассейна. Примем для упрощения задачи, что водообмен подземными водами с соседними бассейнами отсутствует, т.е. поверхностный и подземный водоразделы для рассматриваемого бассейна совпадают.
Непосредственно для поверхности бассейна уравнение водного баланса будет иметь вид:
х=упов+уинф+zпов±Δипов
где х - атмосферные осадки на поверхности бассейна; упов - поверхностный (склоновый) сток; уинф - вода, поступившая в зону аэрации в процессе инфильтрации; zпов - испарение непосредственно с поверхности почвы и смоченных водой растений, с участков, залитых водой, и т.д.; Δипов - изменение содержания (запасов) воды в неровностях поверхности бассейна, например в водных объектах на этой поверхности.
Для зоны аэрации получим уравнение водного баланса в таком виде:
уинф+ zгр.в =yпоч+yпит.гр.в+zтр+zз.а.±Δиз.
где уинф - поступление воды в процессе инфильтрации с поверхности (см. предыдущее уравнение); yпоч - сток в почвенном слое (так называемый «почвенный», или «подповерхностный», сток); yпит.гр.в вода, поступающая из зоны аэрации в грунтовые воды и участвующая в их питании: zтр - поглощение воды из зоны аэрации корневой системой растений (десукция) и затрачиваемой впоследствии на транспирацию, а частично на увеличение биомассы растений; zз.а -подземное испарение воды из зоны аэрации и потери её в атмосферу; zгр.в - испарение воды с поверхности грунтовых вод (эта вода идет на пополнение содержания вод в зоне аэрации); ±Δиз.а - изменение содержания (запасов) воды в зоне аэрации (включая почву), выражающееся в изменении влажности грунтов.
Исследование роли зоны аэрации и грунтовых вод в формировании водного баланса речных бассейнов в различных природных условиях показало:
1) значение зоны аэрации в вертикальном водообмене в речном бассейне весьма велико;
2) в речном стоке существенная доля приходится на подземную составляющую;
3) в величине испарения основная роль принадлежит транспирации.
Водный режим зоны аэрации
Водный режим зоны аэрации в основном определяется режимом поступления в неё инфильтрующихся вод после дождей или снеготаяния. Изменение содержания воды в зоне аэрации зависит от соотношения составляющих уравнения водного баланса. Поскольку грунтовые воды обычно имеют повышенную минерализацию, их испарение приводит к накоплению солей в почве и к ее засолению. Одновременно с этим увеличивается и минерализация грунтовых вод.
Режим грунтовых вод
Под режимом грунтовых вод понимаются закономерные пространственно-временные изменения их запасов и характеристик, включая изменения уровня, температуры и химического состава.
На режим грунтовых вод влияют прежде всего климатические факторы, определяющие питание грунтовых вод дождевыми и талыми водами. Режим грунтовых вод зависит и от гидрологических факторов - режима связанных с грунтовыми водами водотоков и водоемов. Важную роль играют геологические условия и водно-физические свойства грунтов.
Режим уровня грунтовых вод определяется в конечном счете изменением составляющих уравнения водного баланса грунтовых вод. Уровень грунтовых вод должен реагировать прежде всего на изменение их питания, т.е. поступления вод из зоны аэрации, и изменение режима притока - оттока грунтовых вод, часто связанного с режимом поверхностных вод (рек и озер). Среди факторов расходования грунтовых вод необходимо отметить испарение, а также искусственное дренирование (откачку).
Поскольку упомянутые выше основные определяющие природные факторы испытывают многолетние, сезонные и суточные колебания, соответствующие изменения имеет и уровень грунтовых вод.
Многолетние колебания уровня грунтовых вод в основном обусловлены изменениями атмосферных осадков и испарения. Наиболее важны сезонные колебания уровня грунтовых вод. Они имеют четко выраженный зональный характер, что объясняется особенностями питания и расходования грунтовых вод в различных географических зонах.
На территории бывшего СССР были выделены три провинции по режиму грунтовых вод (работы B.C. Ковалевского). Для каждой провинции характерен свой тип режима уровня грунтовых вод и других характеристик.
Суточные колебания уровня неглубоко залегающих грунтовых вод есть реакция на суточные колебания испарения и транспирации. Днем уровень грунтовых вод несколько понижается, ночью - повышается.