Файл: TEMA_7_GIDROLOGIYa_PODZEMNYE_VODY.doc

ВУЗ: Не указан

Категория: Не указан

Дисциплина: Не указана

Добавлен: 23.09.2020

Просмотров: 594

Скачиваний: 4

ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.

СОДЕРЖАНИЕ

Теории и гипотезы происхождения подземных вод

Классификация подземных вод по условиям их происхождения

Виды воды в порах горных пород и почв

Рис. 1. Образование подземных вод

Виды воды в порах

Условия залегания подземных вод в земной коре

Вода в почве

Грунтовые и межпластовые безнапорные воды

Рис. 4. Схема залегания подземных вод: 1 – верховодка; 2 – межпластовые

безнапорные воды; 3 – грунтовые воды; 4 – межпластовые напорные

воды; 5 - поверхностный водоем.

Напорные воды (Рис. 4)

Движение подземных вод

1. Просачивание воды в почву

Ориентировочные значения коэффициента фильтрации рыхлых горных пород

Источники

Режим грунтовых вод. Зависимость колебаний уровня от климата

Взаимосвязь речных и подземных вод

Минеральные воды

Понятие о минеральных водах

Содержание характерных ионов и газов в минеральных водах

В обоих случаях движение воды в водоносных слоях со свободной поверхностью совершается под влиянием гидростатического напора от мест с более высоким уровнем к местам с более низким уровнем.

В естественных условиях вода передвигается по направлению к выходам источников, к от­крытым водоемам, если уровень в последних стоит ниже, чем уро­вень воды в водоносном пласте, и, наоборот, может уходить из во­доемов в грунт при обратном соотношении уровней. Движение воды в водоносном пласте может быть вызвано искусственно откачкой воды из колодца, искусственным дренажем.

Наиболее изучен закон движения воды в мелкозернистых поро­дах — в песках с мелкими, преимущественно капиллярными порами (Рис. 6). Движение воды в случае фильтрации подчиняется закону Дарси, выражаемому формулой

где Q — количество воды в м3/с, протекающей в единицу времени через данное поперечное сечение породы площадью F м2; Кнеко­торая величина, называемая коэффициентом водопроводимости или коэффициентом фильтрации; h — напор; l — длина пути фильтрационного потока в метрах.

Рис. 6. Разрез участка подземного потока.


Величина напора определяется по разности уровней в двух се­чениях потока, т. е. h = H1 - H2, где H1 и H2 — высота уровней в точках А и В. Под влиянием напора вода из сечения АА1 перемещается в направлении сечения BB1.

Отношение i есть паде­ние напора на единицу длины пути фильтрации, т. е. напорный градиент, или гидравлический уклон, и обозначается

i =h/l.

Разделив обе части равенства на площадь F, получим

где v =Q/F.

Величина v носит название скорости фильтрации.

Скорость фильтрации не является действительной скоростью движения воды в порах породы, она представляет фиктивную (приведенную) ско­рость движения воды. Площадь поперечного сечения потока F в формуле принята равной площади поперечного сечения по­роды, тогда как в действительности вода передвигается в породе только по порам и площадь сечения потока равна общей площади пор. Чтобы получить действительную скорость движения вод в по­рах грунта и, надо расход воды Q разделить на площадь, занятую порами, т. е.

где ркоэффициент пористости.

Действительная скорость движения воды боль­ше скорости фильтрации (u>v), так как коэф­фициент пористости меньше единицы.

Коэффициент фильтрации численно равен ско­рости фильтрации при i = l и может быть выра­жен в см/с, м/сут и т. п. (Табл. 1).

Коэффициент фильтрации может быть опре­делен путем лабораторного анализа в специаль­ных приборах, загруженных испытуемым грунтом, а также на основании механического анализа грунта с последующим применением эмпиричес­ких формул расчета.


Таблица 1

Ориентировочные значения коэффициента фильтрации рыхлых горных пород

Порода

Коэффициент фильтрации, м/сут


Порода

Коэффициент фильтрации, м/сут

Глина

Суглинок легкий

Супесь

Лёсс

0,001

0,05—0,10

0,10—0,50

0,25—0,50

Песок мелкозернистый

Песок крупнозернистый

Гравий

Галечник

1—5

20—50

20—150

100—500


Установлено, что коэффициент фильтрации зернистых грунтов зависит от величины пористости, действующей величины зерен грунта и вязкости фильтрующейся воды, которая в свою очередь за­висит от температуры воды. Все эти величины в явном или скрытом виде входят в предложенные эмпирические формулы расчета коэф­фициента фильтрации.


Источники

На склонах долин, оврагов, по склонам гор, в пониженных ме­стах котловин весьма часто наблюдаются выходы водоносных пла­стов на поверхность земли. Если водоносный пласт обнажен до уровня циркулирующих в нем вод, то в месте пересечения зеркала подземных вод с поверхностью земли подземные воды выходят на поверхность.

Различают:

- пластовые выходы - равномерное увлажнение склона на относительно большом расстоянии вдоль пересечения его с водоносным пластом;

- источники (родники) - сосредоточенные выходы подземных вод в виде отдельных струй или потоков.

По характеру выхода и условиям питания источники подразделяются на:

- нисходящие - свободный сток воды из водоносных горизонтов (обыч­но грунтовой и межпластовой) со свободной поверхностью;

- восходящие - выходы напорных вод.

В карстовых областях формируются довольно мощные источ­ники с расходом воды в отдельных случаях до нескольких кубиче­ских метров в секунду. По способу выхода на поверхность источ­ники карстовых областей очень разнообразны.

Наиболее распространены:

- переливные - выходы грунтовых вод из водоносного горизонта, залегающего на вогнутой поверхности водоупора (рис. 7). Режим этих источников неустойчив; с па­дением уровня дебит источника быстро уменьшается и наоборот. К данному типу относится известный источник Воклюз во Франции. По названию этого источника подобные переливные источники полу­чили наименование воклюзских.

- перемежающиеся или сифонные - характерно наличие резервуара — пещеры, в которой накапливается вода, и от­водного канала в форме сифона. Источник действует только тогда, когда вода в резервуаре достигает уровня верхнего колена сифона.

Рис. 7. Переливной (а) и сифонный (б) источники.


Восходящие источники характерны для областей со сложной тектоникой. Часто они приурочены к зонам тектонических разрывов. В этом случае вода по трещинам с некоторой глубины под гидро­статическим давлением, давлением пара или газа поднимается на поверхность. Восходящие источники обладают обычно большим де­битом и иногда высокой температурой.

Источники, выбрасывающие воду под действием давления паров воды, имеющих на некоторой глубине температуру выше 100°С, на­зываются гейзерами. Гейзеры действуют периодически.


Режим грунтовых вод. Зависимость колебаний уровня от климата

Изменение во времени уровня подземных вод, их температуры, химического состава и минерализации называется режимом подземных вод. Наибольшие изменения элементов режима наблюдаются в водоносных горизон­тах со свободной водной поверхностью, и тем большие, чем ближе воды расположены к поверхности земли. По своему режиму наибо­лее динамичны грунтовые воды. В этих водах проявляются годовые, сезонные и даже суточные колебания.


Природа колебаний уровня грунтовых вод различна. Выделяют два рода этих колебаний:

1. Действительные колебания отражают изменения запа­сов воды в водоносном слое и тесно связаны с условиями питания и расходования грунтовых вод, т. е. с атмосферными осадками, испарением, стоком.

2. Кажущиеся колебания являются следствием изменения гидростатического дав­ления воды в водоносном слое. «Кажущимися» они названы потому, что наблюдаются лишь в скважинах, колодцах и других наблюда­тельных объектах. Само же зеркало грунтовых вод (в пласте, а не в колодце), а следовательно, и запасы их могут оставаться без из­менения. Колебания эти кратковременны и в значительной мере зависят от глубины зеркала грунтовых вод. Они резко выражены при близком залегании грунтовых вод от поверхности земли и срав­нительно малой мощности зоны аэрации. В этом случае изменения объема воздуха в зоне аэрации влекут за собой изменения гидроста­тического давления в водоносном пласте, передающиеся в наблю­дательные скважины в виде резких колебаний уровня воды. Изме­нение давления воздуха в зоне аэрации происходит под воздейст­вием просачивающейся сверху воды, струи которой действуют в порах грунта как поршни, нагнетающие воздух, под влиянием тем­пературы, изменения атмосферного давления и т. п. Кажущиеся ко­лебания накладываются на действительные колебания зеркала грунтовых вод, в результате чего график колебаний уровня стано­вится при неглубоком залегании грунтовых вод иногда довольно сложным.

Амплитуда колебаний уровня грунтовых вод определяется не только изменением запасов, но и водными свойствами породы, вмещающей воду, и, в частности, ее водоотдачей. Известно, что один и тот же объем породы с разными водными свойствами содержит раз­ное количество воды, способной к свободному вытеканию. Следо­вательно, чем меньше будет водоотдача, чем меньше свободной воды способна вмещать порода в единице объема, тем большие ко­лебания уровня происходят в водоносном слое при прочих равных условиях.


На территории России выде­ляются три типа режима грунтовых вод, которые определяются зональными особенностями питания и расходования:

- кратковременное, преимущественно летнее питание («мерз­лотный» тип). Отличается не только кратковременностью питания, но и коротким (летним) периодом стока грунтовых вод вследствие промерзания их в условиях сурового климата и много­летней мерзлоты

- сезонное питание (преимущественно весенне-осеннее). Характерно для континентального климата с продолжительной и холодной зи­мой, когда отсутствует пополнение запасов грунтовых вод путем ин­фильтрации атмосферных осадков. Расходование в виде грунтового стока осуществляется в течение всего года, потери же на испарение происходят в теплый сезон. Для этого типа в колебаниях уровня прослеживаются два максимума (весной и осенью) и два минимума (летом и зимой). Подобный ход уровней характерен для областей с близким залеганием грунтовых вод к дневной поверхности. Время наступления максимумов по мере перехода от зоны избыточного увлажнения к зонам переменного и недостаточ­ного увлажнения смещается: весеннего на более ранние, а осен­него на более поздние сроки.


- круглогодичное питание (преимущественно зимнее). Свойственно климату с непродолжительной мягкой зимой, в течение которой инфильтра­ция атмосферных осадков в грунт не прерывается, потери же на испарение ничтожны. По этим причинам уровень грунтовых вод начиная с осени повышается и достигает максимума в середине зимы. К концу зимы, весной и летом в связи с возрастающими потерями на испарение уровень снижается и минимум его наступает в июле-августе.

Эти закономерности уровенного режима грунтовых вод, харак­терные для той или иной климатической зоны, могут сильно ме­няться в зависимости от геологического строения местности и ги­дрогеологических ее особенностей. Существенное значение имеет глубина залегания грунтовых вод. С ее увеличением колебания уровня, вызванные изменением метеорологических факторов, сглаживаются, происходит запаздывание в наступлении максимума и минимума уровня, иногда на несколько месяцев.

Температура грунтовых вод, залегающих вблизи поверхности земли и питающихся, как правило, атмосферными осадками данного места, испытывает влияние температуры воздуха, и тем отчетливее, чем ближе к поверхности залегают грунтовые воды. Суточные коле­бания температуры проникают до глубины около 1-2 м, сезонные — до глубины слоя грунта с постоянной температурой. Колебания тем­пературы воздуха отражаются в колебании температуры воды в сглаженном виде и с запазданием во времени наступления мак­симумов и минимумов температуры, увеличивающимся с глубиной. Если область питания грунтовых вод расположена вдали от об­ласти их распространения, то в их температурном режиме проявляется влияние не только темпе­ратуры воздуха области распро­странения, но и главным образом температуры источника питания.

Таким образом, температура грунтовых вод может служить показателем источника питания и относительной глубины залегания их от поверхности. Резкие коле­бания температуры грунтовых вод служат неблагоприятным показа­телем в отношении санитарного качества вод. Такие воды тесно связаны с поверхностью и могут легко загрязняться.

Химический состав подземных вод определяется сложными про­цессами взаимодействия между составом горных пород, вмещаю­щих воды того или иного горизон­та, и динамикой самих вод не толь­ко в настоящем, но и в прошлом.

Минерализация грунтовых вод меняется в широких преде­лах: от 100-150 мг/л до несколь­ких десятков граммов на литр.

Химический состав и минерализация грунтовых вод, тесно связанных с поверхностными и почвенными водами, отражают влияние климатических условий. Это влияние тем больше, чем ближе воды расположены к земной поверхности.


Взаимосвязь речных и подземных вод

Характер взаимосвязи между речными и подземными водами различен. В зависимости от условий залегания водоносного пласта, глубины вреза речных долин и положения мест выхода подземных вод на поверхность по отношению к высоте стояния уровня воды в реке возникают различные условия для гидравлической связи реч­ных и подземных вод. Гидравлическая связь может быть постоян­ной, периодической или отсутствовать вовсе.


При отсутствии гидравлической связи колебания уровня подзем­ных вод не определяются колебаниями уровня воды в реке. Это ха­рактерно для случая, когда грунтовой поток, направленный к реке, выходит на поверхность на склонах речных долин выше наивысшего уровня воды в реке. Отсутствие гидравлической связи может быть временным — при низком стоянии уровня воды в реке.

При гидравлической связи возможно несколько случаев соот­ношения речных и подземных вод. Наиболее часто наблюдаются на равнинных реках следующие соотношения.

1. Грунтовые воды питают реку при низком стоянии уровня воды в ее русле. При прохождении половодья (паводков), когда подъем воды в реке значительно превышает уровень стояния грунтовых вод, происходит фильтрация речных вод в берега. В прибрежной зоне создаются большие запасы грунтовых вод не только за счет проса­чивания речных вод, но и вследствие аккумуляции грунтовых вод, не находящих стока в русло из-за подпора, создаваемого высокими паводочными уровнями в реке. Уровни грунтовых вод и уровни реки в этом случае сопряжены, и колебания уровней реки передаются уровенной поверхности грунтовых вод.

2. Запасы грунтовых вод постоянно пополняются за счет филь­трации речных вод. Это происходит вследствие того, что уровни в реке всегда стоят выше зеркала грунтовых вод. Одностороннее питание речными водами характерно для засушливых районов. Примером может служить р. Кура, дно русла которой рас­положено выше зеркала грунтовых вод прилегающей низменности. Аналогичное явление наблюдается в карстовых районах, например Урала, где во время паводков речные воды расходуются на запол­нение карстовых полостей.

3. Река получает питание из напорного водоносного пласта, имеющего постоянную гидравлическую связь с рекой. Это питание осуществляется либо путем непосредственного посту­пления напорных вод в русло реки по тектоническим разломам и трещинам, либо путем напорной фильтрации через водоупорную кровлю, либо через пласты водопроницаемых пород, воды которых дренируются реками. Режим питания напорными водами зависит от сочетания изменений пьезометрического уровня в водоносном слое и уровней в реке.

Водообмен между рекой и гидравлически связанными с ней водоносными пластами в периоды половодья или паводков назы­вается береговым регулированием руслового стока.

Явление берегового регулирования приводит к перераспреде­лению во времени руслового стока. Этим объясняется зависимость режима подземного стока в прибрежной полосе от режима реки.

Расходы речных вод на фильтрацию в берега могут достигать значительных размеров, особенно при выходе воды на пойму.

Ширина прибрежной полосы, в которой проявляется влияние реки на уровенный режим подземных вод, при прочих равных усло­виях будет тем больше, чем больше амплитуда колебаний уровней реки, чем длительнее стояние высоких вод в реке и чем меньше уклон грунтового потока. С удалением от реки воздействие речных вод на колебания уровня грунтовых вод постепенно затухает и в местах выклинивания подпора становится незаметным или происходит независимо от речных вод.