Классификация подземных вод по характеру залегания
Под воздействием силы тяжести или гидравлического напора подземные воды перемещаются в порах, трещинах и пустотах, имеющихся в горных породах. Движение подземных вод в пористой среде называется фильтрацией.В зависимости от характера и степени пустотности (скважности) изменяется водопропускная способность горных пород, их водопроницаемость. Так как водопроницаемые и водоупорные горные породы обычно переслаиваются, наблюдается чередование водоносных и водоупорных слоев. Слои (толщи) горных пород, содержащие подземные воды, называются водоносными горизонтами.
По условиям образования и залегания выделяются три основных группы подземных вод:
1) воды зоны аэрации;
2) воды зоны периодического насыщения;
3) воды полного насыщения.
Воды зоны аэрации занимают верхний слой почвенно-грунтовой толщи - от земной поверхности до уровня грунтовых вод. В этой зоне происходит инфильтрация (движение подземных вод в вертикальном направлении под действием силы тяжести) дождевых и талых вод, формирование почвенной воды и верховодки, фильтрация гравитационной воды, десукция влаги растительностью (поглощение воды корневой системой растений) с последующей ее транспирацией (испарение органами растений). Инфильтрующиеся воды, двигаясь вертикально вниз под действием силы тяжести, встречают на своем пути относительные локальные водоупоры и образуют верховодку, т.е. временные сезонные скопления подземных вод (рис. 3.1).
К верховодке относятся подземные воды, залегающие на небольшой глубине от поверхности земли в зоне аэрации. Это периодически существующие локально развитые подземные воды, не имеющие регионально выдержанного водоупора. Они накапливаются на поверхности небольших линз или перемежающихся слоев водонепроницаемых и полупроницаемых горных пород. Мощность верховодки (0,5-1, редко 2-3 м) и ее уровень подвержены значительным изменениям, которые находятся в соответствии с климатическими колебаниями. Наибольшей величины мощность верховодки достигает весной или осенью. Часто, при малом количестве осадков, она исчезает совсем.
Рис. 3.1. Гидрогеологическое строение верхней части грунтовой толщи
Почвенные воды - вода, расположенная у поверхности и заполняющая пустоты в почве. Она находится в гигроскопической плёночной и капиллярной формах. В пределах зоны аэрации, над уровнем грунтовых вод располагаются капиллярные воды(капиллярная кайма). Различают капиллярно подвешенные (не имеющие связи с уровнем грунтовых вод) и капиллярно приподнятые воды. Кроме того, в зоне аэрации существуют почвенные воды, удерживаемые поверхностью частиц в верхней части почвенного профиля.
Зона периодического насыщения водой, расположена между минимальным уровнем подземных вод, соответствующим засушливым периодам, и наивысшим, устанавливающимся в многоводные периоды. Эта зона характеризуется периодическим смачиванием и осушением за счет колебания уровня грунтовых или трещинных вод.
Зона полного насыщения находится ниже постоянного уровня грунтовых вод. В этой зоне выделяют:
1) грунтовые воды;
2) межпластовые воды;
3) трещинные;
4) карстовые.
Грунтовые воды - это воды первого от поверхности постоянного водоносного горизонта, залегающего на первом более или менее регионально выдержанном водонепроницаемом слое. Отсутствие водоупорной кровли обусловливает их питание на всей площади распространения. Поэтому область питания грунтовых вод совпадает с областью распространения, что делает их уязвимыми по отношению к загрязнению.
В грунтовых водах следует различать верхнюю поверхность, или зеркало грунтовых вод, и водоупорное ложе (водонепроницаемая горная порода, подстилающая грунтовые воды). Расстояние от земной поверхности до уровня грунтовых вод называется глубиной залегания, расстояние от зеркала грунтовых вод до водоупорного ложа - мощностью водоносного слоя. Грунтовые воды по своим гидравлическим особенностям – безнапорные или обладают небольшим местным напором. Уровень грунтовых вод подвержен достаточно резким колебаниям в зависимости от метеорологических условий. К зеркалу грунтовых вод примыкает капиллярная кайма. В практике строительства чаще всего приходится встречаться именно с грунтовыми водами. Они создают большие трудности при производстве строительных работ (заливают котлованы, траншеи и т.д.) и мешают нормально эксплуатировать здания и сооружения.
Движение грунтовых вод. Зеркало грунтовых вод редко бывает горизонтальным. Часто оно, в несколько сглаженном виде, повторяет рельеф поверхности и имеет четко выраженный наклон в сторону понижения водоупора. Происходит это вследствие того, что подземные воды находятся в непрерывном движении. Они двигаются в виде грунтового потока, подчиняясь силе тяжести, в направлении оврагов, рек, морей и других понижений рельефа, где происходит их разгрузка в виде источников. Эти участки называются областями разгрузки, или, областями дренирования.
Режим грунтовых вод. Уровень, количество и качество грунтовых вод с течением времени меняется. Они чувствительны к изменению внешних гидрометеорологических условий. Основным фактором при этом являются климатические условия и особенно количество атмосферных осадков. В многоводные годы, когда атмосферных осадков выпадает много, уровень грунтовых вод повышается, в маловодные годы наоборот, понижается.
Межпластовые воды отличаются от грунтовых тем, что находятся между двумя регионально выдержанными водоупорными пластами. Их питание происходит не на всей площади распространения водоносного горизонта, а только в месте его выхода на дневную поверхность, через трещины или фациальные окна (литологическая неоднородность горной породы) в водоупоре. Межпластовые воды делятся на безнапорные и напорные.
Безнапорные межпластовые воды. Обычно такие воды развиты в условиях расчлененного рельефа и залегают выше базиса эрозии (уровень местной гидрологической сети). Они не заполняют полностью водоносный слой, не имеют соприкосновения с водонепроницаемой кровлей и, как грунтовые воды, характеризуются свободной (гравитационной) поверхностью. При вскрытии контакта водоносных и водоупорных пород на береговых склонах оврагов, рек образуются источники или родники. Таким образом, межпластовые воды являются проточными и по условиям передвижения аналогичны грунтовым нисходящим водам, подчиняющимся законам силы тяжести.
Напорные, или артезианские, межпластовые воды. К напорным водам относятся воды, залегающие между двумя водонепроницаемыми пластами горных пород ниже базиса эрозии и области питания. Геологические структуры значительных размеров (сотни и тысячи км2), содержащие в себе напорные межпластовые воды, называют артезианскими бассейнами.
Наиболее благоприятные условия для формирования напорных вод создаются в пределах различных прогибов земной коры, а также при моноклинальном залегании горных пород. В первом случае водоносные слои изогнуты в виде чаши или синклинальной складки. Областью питания подземных вод является место выхода водоносного пласта на поверхность. Атмосферные воды, поступая в водопроницаемые слои путем инфильтрации или инфлюации (лат. influo - втекаю), движутся к центральным частям мульды и заполняют весь водоносный слой, находясь под гидростатическим давлением. Если выкопать колодец или пробурить скважину до водоносного слоя, то подземная вода после ее вскрытия поднимется на значительную высоту. В колодцах, заложенных на более низких по рельефу участках, вода будет самоизливаться на поверхность, или, как принято говорить, фонтанировать в других же остановится на какой-то глубине, но выше кровли водоносного пласта.
Подъем воды в скважинах бывает различным и зависит от высоты расположения областей питания. Разность отметок в области питания и вскрытия пласта (с учетом потери напора при движении подземных вод), определяет высоту напора воды в данном месте. Этот напорный уровень называют пьезометрическим уровнем, выше которого вода не может подняться. Пьезометрический уровень обычно выражают в отметках по отношению к уровню Мирового океана.
Трещинные воды. Подземные воды, приуроченные к сильно раздробленным зонам скальных горных пород, называются жильными или трещинными. Особенно широко они развиты в горных районах и характеризуются нестабильным уровнем, расходом и качеством воды. В отличие от вод, рассмотренных ранее, и заполняющих поры между частицами грунтов, в трещинных водах преобладает гравитационная (свободная) вода, а ее перемещение в большей степени напоминает течение поверхностных вод под действием силы тяжести или напора, чем фильтрацию в пористой среде. В случае, если трещиноватые горные породы относятся к числу растворимых, развиваются карстовые явления.
Карстовые воды. Карстом называют процесс выщелачивания растворимых трещиноватых горных пород движущимися подземными и поверхностными водами, которые вызывают образование пещер, каналов и полостей в глубине Земли и разнообразных впадин и каровых полей на поверхности (рис. 3.2, 3.3). К числу растворимых пород относятся каменная соль, гипс, ангидрит, известняк, доломит, отчасти мергель, в которых и наблюдается развитие интенсивных карстовых процессов. В зависимости от состава растворимых пород различают соляной карст, гипсовый, карбонатный. Вода, насыщенная углекислотой, органическими кислотами растворяет известняки и доломиты во много раз активней, чем химически чистая вода. Присутствие же в подземных водах NaCl повышает растворимость гипса в 2,5-3,5 раза, а наличие сернокислого магния понижает растворимость его до нуля.
Рис. 3.2 Карстовая воронка (фото О.Ю.Крицкой)
Рис. 3.3 Карровое поле (фото С.В.Газарян)