Понятия динамики подземных вод

Метеорная дождевая и талая вода через почвы и грунты проникает в нижележащие горные породы. Она, прежде всего, питает первые от поверхности горизонты водопроницаемых отложений. Так начинается подземный круговорот воды. Безнапорные подземные воды называются грунтовыми водами (рис. 5.2).

Рис. 5.2. Схема залегания грунтовых вод и верховодки (по Соколову и др.,2002)

1-5 – подзоны грунтовых вод: 1 – почвенной влаги; 2 – промежуточная; 3 – капиллярного движения; 4 – разгрузки; 5 – застойных вод

Верхняя их граница получила название зеркала или уровня грунтовых вод. Оно разделяет залегающую сверху зону просачивания (инфильтрации или аэрации) и снизу - затрудненного водообмена. Существует два его положения – паводковый (высокий) и меженный (самый низкий). Этот горизонт представляет собой зону активного водообмена или истечения грунтовых вод. Зеркало грунтовых вод субпараллельно рельефу. Места, где находятся родники, т. е. выходы грунтовых вод на поверхность, получили название очагов их разгрузки. В периоды высокой влажности над уровнем грунтовых вод могут формироваться временные линзы подземных вод, получившие название верховодки.

Питание, обновление и очищение грунтовых вод сезонное. В большинстве районов мира дважды в год идёт интенсивный водообмен – во время весеннего половодья и осенних дождей (паводков) (рис. 5.3).. Между ними уровни грунтовых вод существенно понижаются.

Рис. 5.3. Сезонное изменение уровня грунтовых вод (УГВ) на участках лесных полезащитных полос в Каменной Степи (по Г.Ф.Басову).

Базис эрозии (самая низкая точка рельефа) может быть местным или региональным. Очаги разгрузки грунтовых вод находятся либо вблизи местных, либо региональных базисов эрозии. Грунтовые воды – это основной источник водоснабжения небольших поселений и деревень. Грунтовые воды наименее защищены от поверхностного загрязения. Например, на многих местах нефтедобычи и нефтебазах они загрязнены нефтепродуктами. Грунтовые воды при движении очищаются. В последние десятилетия идёт аридизация климата. Соответственно понижаются уровни грунтовых вод.

В приповерхностных условиях происходит значительный перенос водных растворов по корневой и вегетативной системе растений и испарение влаги на листочках (транспирация). Растения выносят влагу из почв, верховодки и грунтовых вод. В зависимости от ландшафтов в растениях изменяется состав микропримесей (рис. 5.4).

Рис. 5.4. Накопление тяжелых металлов в растениях в разных ландшафтах (по В.В.Ковальскому)

Следующий элемент круговорота подземных вод занимают артезианские воды. «Артезио» (лат.) – напор. Они залегают ниже грунтовых вод. Артезианские воды, в отличие от грунтовых обладают напором, т.к. у них есть верхний региональный водоупор и перепады высот расположения коллекторов в областях питания и региональных очагов разгрузки (рис. 5.5). Положение верхних границ подземных вод в коллекторах называются пьезометрическим уровнем.

Рис. 5.5. Схема строения артезианского бассейна инфильтрационного типа.

По А. М. Овчинникову.

а — область питания и создания напора; б — область распространения напора и падения гидростатического давления; в — область разгрузки; 1 — водоносные породы, 2 — водоупорные породы, 3 — пьезометрический уровень; 4 — уровень грунтовых вод; Н₁ и Н₂ — пьезометрические напоры в первом и втором сечениях; m — мощность артезианского водоносного горизонта (стрелками показано направление движения вод).

Разность уровней подземных вод в области питания и зоне разгрузки (Δh) называют гидростатическим напором. Его отношение к расстоянию между этими точками (Δl) называется гидравлический градиент (уклон) Δh/Δl = i. Он определяет гидростатический напор. Давление толщи вышележащих пород, в которых содержится вода, вместе с атмосферой определяет литостатический (геостатичекий) напор. По соотношению литостатического и гидростатического напоров выделяют артезианские бассейны трех гидродинамических типов – инфильтрационные, элизионные и смешанные (рис. 5.6).

Рис. 5.6. Схемы строения различных артезианских бассейнов. По А.А.Карцеву с упрощениями. а - элизионного типа; в - инфильтрационного типа; г - смешанного типа.

1 - породы фундамента; 2 - глины; 3 - песчаные породы; 4 - направления движения подземных вод; 6 - поверхностные воды озерного или морского бассейна.

В элизионных системах литостатическое давление преобладает над гидростатическим, в инфильтрационных наоборот. В смешанных артезианских бассейнах на верхних горизонтах существует инфильтрация и нисходящие потоки подземных вод, а на нижних - элизионный режим с восходящими потоками. Элизия – выжимание. В элизионном режиме за счет отжатия из глин седиментационных вод, происходит медленное их движение из центра бассейна к его крыльям (эксфильтрация). Она получается за счет преобладания в центральных частях артезинских бассейнов литостатического напора над гидростатическим. Морская вода, захваченная глинистым осадком, при его уплотнении и мощности вышележащей толщи (более 500 м) на 2/3, отжимается. Происходит это при преобладании диффузионного массообмена.

В инфильтрационном типе артезианских бассейнов метеорная вода двигается от крыльев бассейна (областей его питания) до региональных понижений рельефа - очагов разгрузки.

Длительность водообмена артезианских систем оценивается от сотен лет до десятков тысяч лет. За такое время эта, часто, сотнекилометровая гидравлическая система полностью очищается. Метеорная вода путем инфильтрации прочищает коллектора. В связи с меньшей скоростью водообмена грунтовые воды гораздо быстрее очищаются, чем артезианские, хотя, как отмечено выше, и загрязняются легче.

При эксплуатации артезианских вод существуют проблемы. Мы забираем оттуда воду и снижаем этот напор. Например, если 40-50 лет назад при бурении скважин в Московском артезианском бассейне вода поднималась над водоносным горизонтом, то сейчас за счет интенсивной откачки уровни ниже. Таким формируются воронки понижения уровней артезианских вод. В связи с их образованием из нижних водоносных горизонтов может проникает вода, а она, как правило, более минерализованная. Поэтому вода из эксплуатационного водоносного горизонта становится худшего качества.

Движение подземных вод определяется законом Дарси - скорость потока подземных вод прямо пропорциональна перепаду давления (гидравлическому градиенту) c с учетом фильтрационных свойств пород:

V = ki ,

где k – коэффициент фильтрации, измеряемый в м/сут, i – гидравлический градиент.

Закон Дарси является полным математическим и физическим аналогом закона Ома. На этом основан метод электрогидродинамического моделирования динамики подземных вод.

Основной процесс движения подземных вод связан с перепадом литостатического и гидростатического давлений. Процесс движения подземных вод называется водообменом. Конвективный водообмен обусловлен нисходящим движением метеорных вод по сообщающимся порам исключительно за счёт перепада гидростатических давлений. Кондуктивный водообмен происходит в режиме диффузии. В нем участвуют рыхло связанные и прочно связанные поровые воды. В этом случае водообмен происходит за счёт перепада концентрации, температуры и литостатического давления.

Понятия гидрогеохимии

Подземные воды различаются по количеству и составу растворенных в них компонентов (рис. 5.7).

Рис. 5.7. Типы подземных вод по составу.

По степени минерализации (М) или солености, т.е. по количеству растворённых компонентов выделяют:

o ультрапресные (М < 0,1 г/л) – «мёртвая» вода, дождевые талые воды биологически неактивные;

o пресные или слабо минерализованные (М=0,1 – 1 г/л) – вод рек и пресных озер и обычных родников («живая вода»;

o солоноватые (М=1-15 г/л) – эту воду можно пить, но не регулярно;

o солёные (М=10n г/л), вредные для здоровья; если пить исключительно солёную воду, то можно заболеть через несколько дней;

o рассолы (М> 100 г/л), как правило, ядовитые.

По составу минеральных компонентов выделяют:

· по анионам: гидрокарбонатные, сульфатные, азотнокислые, хлоридные воды;

· по составу катионной части: жёсткую воду, где много кальция, магния, и мягкую воду - натриевую.

По составу растворенных газов различают азотные; сероводородные, углекислые и радоновые воды. По окислительно-восстановительному потенциалу выделяют окислительные и восстановительные воды. По рН выделяют ультракислые (сульфатные сернокислые), кислые (азотные, хлоридные), нейтральные (гидрокарбонатные) и щелочные (карбонатные) воды. Щелочность, жесткость и минерализация (соленость) вод главным образом определяются преобладанием тех или иных растворенных в них макрокомпонентов (рис. 5.8).

Рис. 5.8. Сочетания различных компонентов, обуславливающие основные свойства воды (по А.М.Овчинникову).

По содержанию микрокомпонентов различают воды, которые обогащены железом, марганцем, медью, свинцом, ртутью, ураном, цезием, стронцием, йодом, бромом, бором и пр.).

По использованию выделяют подземные воды: хозяйственно-питьевого водоснабжения; технические (пресная, для котлов турбин, теплоснабжения, минерализованная для закачки в нефтеносные пласты и пр.); бальнеологические (лечебные); термальные.

Важно отметить, что состав грунтовых вод и во многом верхних горизонтов артезианских бассейнов определяется составом поверхностных вод. Наиболее ярко он выражен в речных водах, в которых он связан с климатической зональностью. В России и сопредельных странах ярко выражена широтная зональность состава рек (рис. 5.9).

Рис. 5.9. Геохимические типы речных вод (по А.И.Перельману).

1 – кислые и нейтральные, часто богатые органическим веществом («коричневые реки» тундры и тайги); 2 - нейтральные и слабощелочные кальциевые, часто богатые органическим веществом; 3 – нейтральные и слабощелочные кальциевые; 4 – соленые воды (обычно летом); 5 – ре нет.