Разновидности подземных вод по характеру залегания
В литературе приблизительно с 1860 г. в связи с практикой получения самоизливающейся подземной воды укоренился французский термин «артезианская вода». В противоположность этому термину, характеризующему напорную воду, стали использовать термин «почвенная вода», характеризующему «ненапорные воды».
По характеру залегания различают:
· Воды зоны аэрации;
· Грунтовые воды;
· Напорные воды;
· Элизионные (глубинные) воды.
Подземные воды зоны аэрации. Пустоты почвы и горных пород выше уровня грунтовых вод содержат воздух, водяной пар, гигроскопическую и капиллярную влагу. В период во время дождей и снеготаяния в зоне аэрации появляются подземные воды. Просачиваясь под действием силы тяжести, они могут скапливаться в почве.
В широком смысле все свободные воды зоны аэрации именуют верховодкой. В более стром понимании к верховодке относят воду в зоне аэрации, образовавшуюся на линзах относительных водоупоров. Тогда подземные воды зоны аэрации это:
· Почвенные воды;
· Инфильтрующиеся воды;
· Собственно верховодка.
Почвенные воды. В почве находится почвенная влага. В отличие от термина «почвенная вода» он шире и включает не только свободную воду. Наличие избыточной почвенной воды приводит к заболачиванию.
Инфильтрующиеся воды. Ниже почвенного слоя (обычно до 5 м) между капиллярно-подвешенными и капиллярно-поднятыми водами находится промежуточный слой или «мертвый горизонт». В нем периодически появляется свободная (гравитационная) вода, перемещающаяся вглубь.
Верховодка образуется если инфильтрующаяся вода встречает на своем пути относительный барьер (непроницаемые породы). Такой слой воды отличается сезонным характером. Он не представляет собой сплошного водоносного горизонта. Мощность верховодки обычно составляет 0,4 – 1.0 м и формируется в супесчано-суглинистых грунтах. Характер рельефа существенно влияет на формирование верховодки. Она чаще создается на плоских водоразделах и в степях. Иногда ее обнаруживают в разрезе речных террас. Режим верховодки определяется количеством инфильтрующихся осадков. Воды верховодки легко подвержены загрязнению, в обжитых местах, где имеет место утечка бытовых и промышленных стоков
При небольших размерах и малой мощности относительного водоупора верховодка существует сравнительно недолго: за короткий срок вода проходит через полупроницаемые породы, или стекает за пределы линзы в ее краевых частях.
Грунтовые воды. Этот термин введен С.Н. Никитиным в 1900 г. Под грунтовыми водами понимают свободные (гравитационные воды первого от земной поверхности водоносного горизонта. Сверху их не перекрывают водонепроницаемые породы и они через зону аэрации связавны с атмосферой. Термин «грунтовый» горизонт фактически стал синонимом термина «безнапорный». Поверхность грунтовых вод именуется также зеркалом грунтовых вод.
В зависимости от геоморфологических и геолого-гидрогеологических условий выделяют грунтовый поток, грунтовый бассейн и сочетание грунтового потока с грунтовым бассейном.
Грунтовым потоком называют водоносный горизонт грунтовых вод (или его часть), движение воды в котором происходит под влиянием силы тяжести в направлении уклона их зеркала.
Бассейн грунтовых вод (грунтовый бассейн) обычно приурочен к понижению в водоупорном ложе, которое выполнено водопроницаемыми породами, насыщенными водой; зеркало его находится в горизонтальном положении.
Особенности грунтовых вод
· Это безнапорные воды и перемещаются под действием силы тяжести
· Питание их осуществляется преимущественно за счет инфильтрации атмосферных осадков и конденсации влаги в зоне аэрации
· Разгрузка происходит у основания склонов в поверхностные водоемы и водотоки, с которыми грунтовые воды имеют гидравлическую связь
· Вследствие воздействия приповерхностных факторов уровень, дебит, температура и другие параметры грунтовых вод подвержены колебаниям во времени
· Неглубокое залегание и интенсивный подземный сток вызывают формирование преимущественно пресных грунтовых вод, но при недостаточном увлажнении территории они становятся минерализованными и солеными.
Условия питания и распространения грунтовых вод. Питание грунтовых вод осуществляется через зону аэрации за счет инфильтрации атмосферных осадков (дождевых, талых и паводковых вод) и конденсирующейся влаги в зоне аэрации.
Величина инфильтрации зависит от продолжительности выпадения осадков. Наибольшее значение дают длительные обложные дожди. Зимние осадки могут служить источником питания грунтовых вод весной после оттаивания промерзших пород.
В местах нарушения водоупорного перекрытия (гидрогеологические окна) грунтовые воды могут пополняться за счет подтока напорных вод из расположенных ниже пластов если напорный уровень превышает отметки грунтовых вод.
Разгрузка грунтовых вод происходит через рассеянные и сосредоточенные выходы, пластовые высачивания или в заболоченные места. Иногда такие участки протягиваются вдоль склона холмов в виде заболоченной полосы.
Характер залегания грунтовых вод зависит от многих факторов (условий питания, водопроницаемости пород, конфигурации берегов водоемов и водотоков, с которыми грунтовые воды имеют гидравлическую связь, положения водоупорного пласта и т.п.). Поверхность грунтовых вод отражают на карте гидроизогипс.
Гидроизогипсами называют линии, соединяющие точки с одинаковыми абсолютными, или относительными отметками уровня грунтовых вод.
Глубина уровня грунтовых вод часто зависит от рельефа местности. Поэтому поверхность грунтовых водоносных горизонтов нередко повторяет в сглаженном виде рельеф. В речных долинах, балках оврагах и других понижениях рельефа грунтовые воды находятся на сравнительно небольшой глубине, а на водоразделах глубина залегания может достигать нескольких десятков метров.
Режим грунтовых вод, т.е. процесс изменения их количества и качества во времени, крайне непостоянен и зависит от воздействия на них природных или искусственных факторов. Режим, определяемый только природными факторами называют естественным или ненарушенным, тогда как при влиянии на его формирование искусственных факторов – его называют нарушенным.
Напорные подземные воды. Напорными называют подземные воды в подземных горизонтах, перекрытых и подстилаемых водоупорными или относительно водоупорными пластами и обладающие гидростатическим напором. Последний вызывает подъем уровня воды над кровлей при вскрытии скважинами. При благоприятных условиях скважины дают фонтанирующую воду. Однако не везде водоносный горизонт с напорными водами дает самоизлив.
Для напорных вод характерны следующие особенности:
· Это межпластовые воды, горизонты и комплексы которых изолированы сверху и снизу водоупорами
· Область питания и создания напора вод и область их распространения не совпадают и часто удалены одна от другой на большие расстояния
· При вскрытии напорного водоносного горизонта появление воды в скважине всегда отмечается глубже по сравнению с установившимся уровнем, если уровень устанавливается выше земной поверхности, то скважина фонтанирует
· Режим этих вод более стабилен по сравнению с режимом грунтовых вод. Поверхностные факторы оказывают на него гораздо меньшее влияние
· В верхней части разреза напорные воды пресные, а с глубиной их минерализация возрастает.
Условия питания и распространения. Среди природных емкостей напорных вод основными являются бассейны пластовых вод и моноклинальные бассейны пластовых вод.
Под бассейном пластовых вод понимают совокупность напорных водоносных горизонтов или комплексов, залегающих в синклинальных структурах, где движение подземных вод происходит под влиянием гидростатического напора.
Водоносные комплексы напорного типа отличаются относительно небольшим размером области питания (создания напора) по сравнению с площалью стока (развития напора). Иногда питание напорных вод осуществляется путем подтока из нижележащего горизонта. Подток обычно происходит по тектонически ослабленным зонам или через относительные водоупоры. Иногда эти воды гидравлически связаны с грунтовыми на участках, где размыты перекрывающие водонепроницаемые пласты.
Область распространения напора находится внутри основной площади напорного бассейна; в ее пределах водоносным горизонтам (комплексам) свойственны напорные уровни, которые принято называть пьезометрическими. Расстояние по вертикали от кровли водоносного горизонта до пьезометрического уровня называют напором подземных вод. Напор характеризует запас потенциальной энергии воды.
Пьезометрический уровень определяют по измерениям в скважинах, вскрывших водоносный горизонт. Характер поверхности, составленный пьезометрическими уровнями на картах изображают гидроизопьезами. Гидроизопьезы – это линии, соединяющие точки с одинаковыми абсолютными отметками пьезометрического уровня.
Элизионные воды. Кроме напорных вод, находящихся под гидростатическим напором, существуют воды с иным источником напора и питания. Их выделяют в самостоятельную группу. Различия в геологическом строении районов распространения и факторов напорности глубинных вод обусловливают их деление на воды:
· Бассейнов пластовых вод
· Кристаллического фундамента, в том числе – древних щитов
· Различного рода разломов глубокого заложения в тектонически активных областях.
В первом случае и отчасти во второмпреобладают пассивные причины (гравитация, пластичность пород, присутствие углеводородов и т.д.), в третьем – колоссальные эндогенные силы. Соответственно на противоположных полюсах будут находиться воды с элизионным и эндогенным питанием.
Наиболее типичные случаи распространения элизионных вод характерны для бассейнов пластовых вод. Напрмер, основная масса вод гидрогеодинамической зоны весьма затрудненного водообмена, воды нефтяных и газовых залежей. Пластичные осадочные породы обладают наилучшими свойствами с одной стороны, для изоляции подземных вод от влияния гидростатического напора, а с другой – для возникновения и сохранения гидрогеодинамических аномалий.
Как правило, для скважин, вскрывающих элизинные воды, характерен пульсирующий режим излива. Их дебит быстро, реже постепенно снижается вследствие релаксации пластового давления. Такой режим присущ и рассолам Припятского прогиба. Общим для глубинных рассолов является быстрое истощение дебита. Глубина залегания таких вод изменяется существенно. Иногда «запечатанные» линзообразные залежи рассолов с аномально высоким пластовым давлением (АВПД) встречаются всего на 0,4 – 0,5 км ниже земной поверхности.
В формировании ресурсов элизионных вод участвуют воды различного происхождения, но чаще всего они являются полигенетическим образованием. Занимая самые нижние горизонты, элизионые воды в соответствии с нормальной гидрогеохимической зональностью обычно минерализованные. Более того, они могут быть предельно насыщенными с минерализацией свыше 500 г/дм3. Очень часто глубинные воды содержат в повышенных количествах ряд макро- и микрокомпонентов (редкие щелочи, бром, фтор, стронций, литий, тяжелые металлы и т.п.).
Лекция
ГИДРОГЕОДИНАМИКА
Первые работы по гидродинамике подземных вод (1856 г.) принадлежат французским ученым А. Дарси и Ж. Дюпюи. Первый установил основной закон фильтрации, названный впоследствии линейным законом Дарси (известен и нелинейный закон Дарси). Второй применил закон Дарси к определению расхода подземных вод и притока воды к скважине. Закон Дарси описывает движение флюида через пористую среду. В дальнейшем изложении мы не будем рассматривать движение сжимаемых жидкостей, неньютоновских жидкостей и многофазного течения флюидов.