Основные положения гидрогеологии

Гидрогеология (от греч. hydro – вода, ge – земля, logos – наука) – наука, изучающая состав, свойства и законы движения подземных вод.

Подземныминазывают воды, которые находятся в земных недрах в разных формах и в разном состоянии.

Состояние подземных вод

I. В форме пара.

II. Физически связанная вода:

1) прочносвязанная (гигроскопическая);

2) слабосвязанная (плёночная).

III. Свободная вода:

1) капиллярная;

2) гравитациоóнная.

IV. Вода в твёрдом состоянии.

V. Кристаллизационная и химически связанная вода.

Происхождение подземных вод

Среди множества теорий, объясняющих происхождение подземных вод, наиболее знáчимыми являются следующие:

а) инфильтрациóонные воды (от лат. infiltration – процеживание) образуются в результате просачивания атмосферных осадков в водопроницаемые горные породы. Наиболее характерны для районов с умеренным климатом, где выпадает много осадков, а испарение не столь велико;

б)конденсациóонные подземные воды (от лат. condensatio – сгущение, уплотнение) формируются в тех климатических зонах, где испаряемость значительно превышает количество осадков. В результате в пустынях образуются линзы пресной воды над солёными подземными озёрами;

в) седиментогéенные подземные воды (от лат. sedimentum – осадок) образуются одновременно с накоплением морских осадков. После погружения на большую глубину осадки значительно уплотняются, а воды из них выжимаются в водопроницаемые песчаные слои;

г) ювенильные (от лат. juvenalis – юный) или магматогéенные (от греч. magma – густая мазь) могут быть образованы из паров воды, выделяемых магмой при её остывании. Пар поднимается по трещинам горных пород, которые имеют мéньшую температуру по сравнению с ним, и переходит в капельно-жидкое состояние;

д) дегидратациóонные воды (от лат. dehydratatio – обезвоживание) или возрождённые образуются в результате выделения кристаллизационной воды из минеральных масс при повышенных температурах (например, при переходе гипса в ангидрит).

Залегание подземных вод

Слои горных пород, препятствующие движению подземных вод (скальные породы без трещин, глина), называют водонепроницаемыми или водоупóорными (рис.унок 1).

Слои горных пород, содержащие подземные воды, называют водонóсными, они обладают водопроницаемостью – способностью фильтровать воду. Это характерно для рыхлых (песок, гравий, супесь) и трещиноватых пород.

Снизу водоносный горизонт подстилает слой водонепроницаемых пород (глин), который называют водоупорным лóожем или просто водоупóором. Расстояние от водоупора до уровня грунтовых вод определяет мощность водоносного слоя.

Рис.унок 1Элементы водоносного слоя

Водоносную толщу горных пород разделяют на две части:

I. Зона аэрации. В кровле водоносного горизонта залегают, как правило, неводонасыщенные слои горных пород, в которых основная часть пор занята воздухом. Они способны беспрепятственно, но с разной скоростью пропускать атмосферные осадки и другие виды поверхностных вод вглубь горизонта. Так же беспрепятственно воды могут перемещаться наверх, испаряться и т.д. Давление в кровле водоносного горизонта равно атмосферному или меньше его (если есть зона капиллярного поднятия), воды в нём являются безнапорными. При вскрытии водоносного горизонта горными выработками (скважинами, канавами и др.), уровень воды в них устанавливается в соответствии уровнем воды в пласте.

II. Зона насыщения располагается в нижней части водоносного горизонта, где все поры и трещины в горных породах заполнены водой.

По условиям залегания выделяют такие типы подземных вод (рис.унок 2):

Рис.унок 2Типы подземных вод по месту залегания

а) ПóОЧВЕННЫЕ воды «подвешены» в пóрах почвы непосредственно у поверхности земли вследствие капиллярных явлений. Имеют сезонный характер и сезонные колебания температур. Для почвенных вод характерно наличие органических веществ и микроорганизмов;

б) СВОБОДНЫЕ ПОЧВЕННЫЕ воды встречаются только в связи с сезонным увлажнением или заболачиванием почв;

в) ВЕРХОВóОДКА ограниченно распространена в самых верхних слоях земной коры. Эти воды пресные, часто содержат органические соединения и малопригодны для использования. Воды верховодки ненапорные и маломощные, что объясняется малой площадью водоупора. Она возникает в периоды дождей и исчезает с наступлением засушливых периодов, а в районах распространения многолетней мерзлоты полностью промерзает. Возможность возникновения верховодки не всегда учитывается в полной мере, поэтому она нередко создаёт затруднения при строительстве;

г) ГРУНТóОВЫМИ называют подземные воды первого от поверхности земли постоянно существующего водоносного горизонта, расположенного на первом выдержанном водоупорном слое - водоупорном ложе. Они имеют свободную поверхность – зéеркалогрунтовых вод (на разрезе –уровень грунтовых вод, УГВ). Положение УГВ относительно поверхности земли постоянно меняется, что создаёт большие проблемы для строительства сооружений и для их эксплуатации. Грунтовые воды питаются за счёт инфильтрации осадков и могут образовывать потоки, озёра, бассейны. Они взаимосвязаны с поверхностными водоёмами и не обладают должным качеством;

д) МЕЖПЛАСТÓВЫЕ подземные воды содержатся в водоносном слое, расположенном между двумя водоупорными слоями. Если водоупоры горизонтальны и межпластовые воды имеют возможность выхода на поверхность, то они являются безнапорными. Но гораздо чаще водоупорные слои бывают наклонными или изогнутыми в форме синклинали. Воды с поверхности земли попадают в водоносный горизонт, где становятся напорными. При вскрытии такого слоя скважиной, вода начинает фонтанировать. Это явление впервые было изучено во французской провинции Артуá,поэтому напорные подземные воды часто называют артезиÁнскими.

Из-за изоляции водоупорными слоями от поверхности земли температура артезианских вод подвержена только годовым колебаниям. Они обладают наилучшим качеством и применяются для водоснабжения. Артезианские воды имеют огромное значение в народном хозяйстве. Они используются для водоснабжения городов, промышленных предприятий, железнодорожных станций, ферм и других объектов. Из них извлекают бром, йод, используют в бальнеологических целях;

е) ЖИЛЬНЫЕ и ТРÉЩИННЫЕ воды находятся и передвигаются в местах нарушения сплóшности массивных горных пород, чаще – в тектонических трещинах. Обычно они загрязнены микроорганизмами, взвешенными минеральными и органическими веществами.

Все типы подземных вод взаимосвязаны как между собой, так и с другими частями гидросферы. Подземные воды являются неотъемлемой частью круговорота воды в природе.

2 Практическая работа №1

Карты гидроизогипс,

их роль при проектировании и строительстве

2.1 Теоретическая часть

Грунтовые воды

2.1.1 Особенности формирования и залегания грунтовых вод

Для построения гидрогеологических карт необходимы сведения о подземных водах. Особое внимание со стороны строителей вызывают грунтовые воды, поскольку они содержатся в больших объёмах в верхних горизонтах горных пород. Попадая в сферу строительной деятельности человека, они всегда создают проблемы и требуют тщательного изучения.

Каждый водоносный горизонт грунтовых вод имеет ряд характеристик:

а) область питания.Для грунтовых вод характерны несколько видов питания, причём на различных участках своего распространения грунтовые воды могут использовать различные источники питания:

· инфильтрация (просачивание) атмосферных осадков – дождя, росы, тающего снега и т. д. является основным источником питания грунтовых вод. Величина инфильтрации находится в прямой зависимости от характера осадков, их интенсивности, а так же от водопроницаемости почвы и горных пород зоны аэрации. Из-за неравномерного распределения количества атмосферных осадков в течение года (внутригодовые колебания) или на протяжении нескольких лет (многолетние колебания) меняется величина инфильтрации. Это является одной из главных причин колебания уровня грунтовых вод;

· перетокииз нижележащих напорных горизонтов через слабоводопроницаемые слои (лёгкие супеси и суглинки);

· трещинные водыпо зонам тектонических разломов;

· поверхностные водоёмы и водотоки (реки, озёра, пруды, водохранилища и т. д.). Их связь с грунтовыми водами может быть различной (рис.унок 3). В районах с влажным умеренным климатом зеркало грунтовых вод, как правило, имеет уклон к реке, и речные воды подпитываются грунтовыми – речные долины дренируют грунтовые воды (рис.унок 3.1).

В районах с засушливым климатом, а так же в других районах после окончания паводка, уровни грунтовых вод нередко понижаются по направлению от реки в сторону её берегов, где речные воды расходуются на питание грунтовых вод (рис.унок 3.2).

В горных районах с одного склона речной долины в русло реки могут поступать грунтовые воды, а на противоположном берегу поглощаются речные воды (рис.унок 3.3).

Рис.унок 3Схема связи грунтовых и речных вод:

а) в поперечном разрезе; б) в плане.

· искусственные области питания грунтовых вод на массивах орошения, вблизи каналов и водохранилищ и др. дополнительно создаются при проведении различных инженерных и водохозяйственных мероприятий.

Понижение уровня грунтовых вод ведёт к уменьшению мощности водоносного горизонта и осушению части пласта. С подъёмом уровня грунтовых вод пласт испытывает обильное водонасыщение и происходит увеличение мощности водоносного пласта.

б) область распространения грунтовых вод практически совпадает с областью их питания;

в) область разгрузки всегда приурочена к наименьшим отметкам их уровней (абсолютных или относительных) и характеризуется большим разнообразием:

· источники, пластовые высачивания и другие водопроявления на поверхности земли. Если источник действует на дневной поверхности, его называют открытым, а при выходе грунтовых вод под дном водоёмов - закрытыми.

· эрозионные источники возникают в результате врезания эрозионной сети в толщу водоносных пород. При этом различают совершенный вид дренирования, когда эрозионная сеть вскрывает весь водоносный комплекс и несовершенный, вскрывающий только его часть.

· переливы или перетоки в нижележащие водоносные горизонты характерны для грунтовых вод водораздельных участков междуречий, проходящих по самым высоким отметкам их поверхности.

· искусственные очаги и области разгрузки грунтовых вод создаются в результате инженерной и хозяйственной деятельности человека (дренирование, водоотбор грунтовых вод из колодцев и скважин и др.).

· путём испарения разгрузка грунтовых вод может осуществляться при залегании грунтовых вод на глубине, не превышающей 3 метров, т. е. меньше критической. Глубже 3 метров испарение практически равно нулю.

2.1.2 Режим грунтовых вод, наблюдения за режимом

Грунтовые воды, залегающие сравнительно недалеко от поверхности земли, могут существенно осложнить как производство строительных работ, так и эксплуатацию сооружений, поэтому для инженеров-строителей чрезвычайно важными являются сведения о режиме подземных вод.

Режим подземных вод – это изменение во времени уровня грунтовых вод, их состава и расхода. Для получения таких сведений перед проектированием зданий и крупных сооружений специально создают стационарные гидрогеологические станции. Они ведут СТАЦИОНАРНЫЕ НАБЛЮДЕНИЯ - круглогодичные наблюдения за режимом подземных вод, которые заключаются в длительных (не менее 3 месяцев) периодических (через каждые 3-10 дней) замерах положения УГВ в скважинах и расхода родников, если таковые имеются.

Каждое измерение должно производиться «на одну дату» - за максимально короткий период времени, в течение которого не было существенных изменений уровня грунтовых вод. После продолжительных и ливневых дождей обязательно проводятся внеочередные наблюдения. При этом не менее 4 раз в год (посезонно) отбираются пробы воды для химического анализа.

Для стационарных наблюдений используются буровые скважины, расположенные по ствóрам (пробуренные вдоль прямой линии) или по сетке (нескольким параллельным створам). Расстояние между ними выбирают в зависимости от сложности геологических и гидрогеологических условий.

Абсолютные отметки уровня воды в скважинах измеряется от верха репера (колышка), расположенного сбоку от устья. Отметка этой точки устанавливается нивелированием (от абсолютного нуля, за который в России принят средний уровень Балтийского моря. Он соответствует нулевой отметке Крондштадтского футштока).

Если нивелирование не производилось, за исходную точку можно взять любую плоскость сравнения 0 ­ 0. Это позволит измерить превышения одной точки над другой или относительную высоту.

Для измерения используют рейку, шнур или другие предметы, не изменяющие свои параметры при намокании.

Часто бывает трудно визуально установить момент соприкосновения этих предметов с водой в скважине, а значит и момент начала отсчёта. Поэтому они должны быть снабжены сигнальными приспособлениями – поплавками, хлопушками, свистками, электросигнализацией (рис.унок 4):

Рис.унок 4Приспособления для измерения уровня подземных вод:

а) поплавок;

б) хлопушка: 1 - деревянная пробка; 2 - парафин; 3 – цилиндр;

в) свисток: 1 – тросик; 2 – «голос»; 3 – колокол;

г) дисковый уровнемер Симонова: 1 – диск; 2 – стойка; 3 – тонкая проволока

с поплавком;

д) световой уровнемер Симонова: 1 – трубка; 2 – верхняя крышка; 3 – нижняя часть