Лекция№9. Грунтовые воды. Артезианские воды.
Грунтовые воды: условия питания, залегания и разгрузки.
Артезианские воды: условия питания, залегания и разгрузки.
\
1. Грунтовые воды – подземные воды первого от поверхности постоянно существующего водоносного горизонта, расположенного на первом водоупорном слое. Воды, как правило, безнапорные, при вскрытии буровой скважиной или колодцем их уровень устанавливается на той глубине, на которой они были встречены. На отдельных участках, где есть локальное водоупорное перекрытие, грунтовые воды приобретают местный небольшой напор.
Поверхность грунтовых вод называется зеркалом или скатертью. Относительно однородные по литологическим особенностям и водным свойствам пласты горных пород, содержащие грунтовые воды, называются водоносным горизонтом или водоносным пластом. Водонепроницаемая порода, подстилающая водоносный пласт, называется водоупором или водоупорным ложем. Мощность водоносного горизонта (потока) h определяется расстоянием по вертикали от уровня грунтовых вод до кровли подстилающего водоупорного пласта.
Грунтовые воды обычно имеют слабоволнистую поверхность, часто с уклоном в сторону ближайшего понижения (овраг, балка, речная долина и т. д.). В зависимости от величины уклона поверхности и водопроводимости пластов грунтовые воды движутся в сторону ближайшего понижения с той или иной скоростью, образуя грунтовый поток. Участки с горизонтальной поверхностью грунтовых вод называются бассейном грунтовых вод.
При пересечении речной долиной, оврагом или другими отрицательными формами рельефа воды грунтового потока будут разгружаться; на таких участках встречаются пластовые высачивания воды, выходы источников, мочажины. Как правило, грунтовые потоки образуют источники нисходящего типа. Грунтовый поток, плавно понижающийся к месту разгрузки, образует криволинейную поверхность, называемую депрессионной поверхностью.
Связь между грунтовыми и речными водами может быть различной, что устанавливается по характеру гидроизогипс. В районах с влажным и умеренным климатом речные долины, как правило, дренируют грунтовые воды, т. е. зеркало грунтовых вод имеет уклон к реке и речные воды питаются за счет грунтовых (рис. а). В районах с засушливым климатом нередко уровень грунтовых вод понижается от реки в сторону речных берегов. Здесь речные воды расходуются на питание грунтовых вод (рис. б).
В природных условиях отмечаются и более сложные взаимоотношения грунтовых и речных вод. Например, в горных районах с одного склона речной долины в русло реки могут поступать грунтовые воды, а другой противоположный берег в то же время оказывается поглощающим речные воды (рис. в).
Иногда грунтовые воды гидравлически связаны с болотными водами, с которыми могут быть связаны также воды верховодки. Болота по своему местоположению и питанию делятся на верховые, низинные и переходные.
Питание грунтовых вод для конкретного участка определяется инфильтрацией атмосферных осадков и поглощением вод поверхностного стока и бокового притока со смежных участков. Расходование грунтовых вод происходит путем испарения с уровня и транспирации их растениями и подземного оттока с участка.
Зональность грунтовых вод. Зональность грунтовых вод тесно связана с зональностью климата и зональностью поверхностных образований: растительности, почвенного покрова и направления выветривания, наблюдающихся на поверхности земного шара. На территории РФ два генетических типа грунтовых вод: 1) грунтовые воды выщелачивания и 2) грунтовые воды континентального засоления. Грунтовые воды выщелачивания характерны для областей с избыточным увлажнением, т. е. для таких областей, где годовое количество атмосферных осадков превышает величину годового испарения. В пределах распространения грунтовых вод выщелачивания наблюдается постепенное увеличение их минерализации с севера на юг.
Грунтовые воды континентального засоления формируются на территориях сухих степей, полупустынь и пустынь, где вследствие малого количества осадков, интенсивного испарения и отсутствия естественного дренажа нет благоприятных условий для развития грунтовых потоков. По степени минерализации воды континентального засоления изменяются от слабосолоноватых до соленых; по химическому (анионный) составу они относятся к сульфатному, сульфатно-хлоридному и хлоридному типам.
Основные виды грунтовых вод по условиям залегания: 1) речных долин; 2) ледниковых отложений; 3) степей, полупустынь и пустынь; 4) конусов выноса и предгорных наклонных равнин; 5) горных областей; 6) морских побережий.
2. Артезианскими называют подземные воды, находящиеся в водоносных горизонтах (комплексах), перекрытых и подстилаемых водоупорными или относительно водоупорными пластами и обладающие напором, который обусловливает подъем уровня вод над их кровлей при вскрытии воды скважинами или другого вида выработками.
Артезианские воды получили название от провинции Артуа в Южной Франции (древнее латинское название— Артезия), где в XII в. (1126) впервые в Европе был найден колодец, вскрывший самоизливающуюся воду. Такие колодцы получили название артезианских. Затем артезианскими стали называть подземные воды и водоносные горизонты, в которых вода находится под избыточным давлением и при их вскрытии изливается на поверхность.
По условиям залегания подземных артезианских вод выделяются артезианские бассейны, артезианские склоны, субартезианские бассейны, а также напорные воды в зонах крупных тектонических разломов.
Артезианский бассейн — совокупность артезианских водоносных горизонтов или комплексов, залегающих в тектонических синклинальных структурах. В частном случае в артезианском бассейне может быть только один водоносный горизонт или комплекс.
В каждом артезианском бассейне принято выделять три области (Г. Н. Каменский, Н. И. Толстихин, А. М. Овчинников и др.): 1) область современного питания (современная инфильтрация) и создания напора, 2) область разгрузки и 3) область распространения напора.
Область современного питания и создания напора— площади выхода на дневную поверхность водоносных пород, которые слагают артезианский бассейн и его основание, располагающихся на наивысших гипсометрических отметках. Питание происходит за счет инфильтрации атмосферных осадков, путем перетока вод из одного смежного горизонта в другой, при гидравлической связи с грунтовыми водами на участках, где размыты кроющие водонепроницаемые пласты или же происходит их фациальное изменение, т. е. переход в проницаемые разности пород.
Если пьезометрическая поверхность артезианских вод располагается на более высоких абсолютных отметках по сравнению с отметками зеркала грунтовых вод, напорные воды будут питать грунтовые; при обратном соотношении отметок горизонтов подземных вод грунтовые воды расходуются на питание артезианских.
Область разгрузки — участки выхода водоносных горизонтов и комплексов на поверхность на более низких абсолютных отметках по сравнению с областью питания.
А. М. Овчинников выделяет современные и древние очаги разгрузки; современные подразделяются на естественные и искусственные, среди которых выделяются открытые и скрытые.
К открытым (естественные) очагам относятся эрозионные (локализованные очаги разгрузки в долинах рек, бессточных впадинах и пустынных районах); барьерные (при наличии препятствий на пути движения артезианских вод); структурно-тектонические (зоны тектонических разломов, антиклинальные структуры в горно-складчатых областях и др.).
Скрытые очаги разгрузки подразделяются на внешние и внутренние. К скрытым внешним очагам разгрузки А. М. Овчинников относит рассредоточенную разгрузку подземных вод через водоупорные толщи при наличии больших напорных градиентов.
Искусственные очаги разгрузки — это крупные водозаборы подземных вод (группа скважин, из которых проводится отбор воды для водоснабжения или других целей) и одиночные водозаборные сооружения (обычно скважины), при длительной эксплуатации которых в некоторых водоносных горизонтах создаются понижения статических уровней на 80—120 м.
Область распространения напора (область напорного стока) —основная площадь развития артезианского бассейна, для водоносных горизонтов которой характерны пьезометрические (напорные) уровни подземных вод.
Уровень напорных вод называют пьезометрическим. Пьезометрический уровень всегда располагается выше кровли водоносного горизонта. Пьезометрический уровень, превышающий отметки поверхности земли, называют положительным. Если же пьезометрический уровень не достигает поверхности земли, его называют отрицательным. Расстояние по вертикали от кровли водоносного горизонта до пьезометрического уровня называется напором над кровлей водоносного горизонта. Распределение пьезометрических уровней на всей площади распространения артезианских вод определяется соотношением их отметок в области питания и разгрузки.
Артезианский склон — это своеобразный асимметричный бассейн напорных подземных вод, встречаемый обычно в моноклинально залегающих водоносных горизонтах, выклинивающийся по мере погружения, или же его возникновение связано с изменением литологических особенностей водоносных пород, состав которых изменяется до слабопроницаемых и даже водоупорных.
По Ф. П. Саваренскому, к субартезианским водам относят подземные воды, не обладающие постоянным определенным напором, который может изменяться на коротком расстоянии как по площади, так и во времени. Таким образом, совокупность водоносных горизонтов (в частном случае один водоносный горизонт), содержащих субартезианские воды в пределах определенной геологической структуры, и принято называть субартезианским бассейном. К субартезианским бассейнам Ф. П. Саваренский относил межпластовые воды в области периодического питания.
Построение и анализ карт гидроизопьез. Характер пьезометрической поверхности того или иного напорного водоносного горизонта в пределах его распространения на картах обычно изображается гидроизопьезами (изопьезы, пьезоизогипсы) — линиями, соединяющими точки с одинаковыми абсолютными отметками пьезометрического уровня. Карта гидроизопьез обязательно сопровождается гидрогеологическими разрезами.
Особенности режима артезианских вод. В. С. Ковалевский к числу основных факторов, определяющих особенности режима неглубоко залегающих артезианских вод, относит следующие: а) климатические особенности территорий, на которых осуществляется их питание; б) степень изолированности водоносного горизонта от поверхности земли; в) степень дренированности водоносных горизонтов, определяющая интенсивность водообмена подземных вод.
Гидродинамическая и гидрохимическая зональность водонапорных систем. Водонапорная система — совокупность бассейнов (или отдельные крупные бассейны) подземных вод различного строения, которые находятся в определенных сравнительно крупных геологических структурах, четко оконтуриваемые по данным закономерностей распространения и формирования подземных вод.
В артезианских бассейнах выделяют гидрогеохимические разрезы следующих типов:
1) характеризующиеся постепенным увеличением минерализации воды с глубиной вплоть до фундамента бассейна; первый тип гидрогеохимических разрезов показателен для водонапорных систем, лишенных галогенных отложений (т.е. отложений, содержащих хлор, фтор, бром, йод). В таких водонапорных системах мощность зоны пресных вод обычно зависит от глубины вреза местной гидрографической сети и ее густоты, водопроницаемости пород, степени изолированности водоносных комплексов и горизонтов от дневной поверхности водоупорными породами и климатических особенностей.
2) с чередованием зон подземных вод разной минерализации; второй тип гидрогеохимических разрезов характерен для периферийных частей некоторых водонапорных систем, прилегающих к высоким горным сооружениям (Азово-Кубанская и другие водонапорные системы).
3) разрезы, где в верхней части отмечается увеличение, а в нижней— (к фундаменту) уменьшение минерализации воды. Третий тип гидрогеохимических разрезов установлен для водонапорных систем, в геологическом строении которых участвуют мощные толщи соленосных отложений. В таких водонапорных системах минерализация воды возрастает до отметок залегания соленосных отложений, а в подсоленосных толщах отмечается уменьшение минерализации воды с глубиной (Волго-Камская, Ангаро-Ленская и другие водонапорные системы).