Классификация подземных вод

Подразделение подземных вод на ряд типов может быть осуществ­лено по различным признакам: по происхождению, условиям залегания, гидравлическим свойствам, химическому составу, возрасту и т. п. Имеется много различных систем классификации.

Подразделение подземных вод по их происхождению приведено выше. По условиям залегания вы­деляются три основных типа подзем­ных вод: верховодка, грунтовые воды и напорные межопластовые, или арте­зианские, воды. Иногда выделяют меж­пластовые безнапорные воды.

Рис. 3. Схема залегания грун­товой воды и соотношение ее с

верховодкой:

/ — зона аэрации; // — зона на­сыщения водой (грунтовая вода); /// — водоупорное ложе; IV — зо­на капиллярного поднятия; V — верховодка; / — песок; 2 — водонасыщенный песок; 3 — глина; 4 — тяжелый суглинок; 5 — источ­ник; 6 — направление движения грунтовых вод; 7 — зеркало, или уровень, грунтовых вод

Верховодка. К верховодке отно­сятся подземные воды, залегающие на небольшой глубине от поверхности земли в зоне аэрации. Отличие верхо­водки от грунтовых вод в основном заключается в том, что она распола­гается выше них и, кроме того, огра­ничена площадным распространением. 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. Таковы, например, линзы морен в флювиогляциальных отложениях, погребенные почвенные горизонты в лёссовидных суглинках, глинистые линзы в песчаном аллювии и т. п. (рис. 3). Мощность верховодки (0,5—1, редко 2—3 м) и ее уровень подвержены значительным колебаниям, которые находятся в соответ­ствии с климатическими изменениями. Наибольшей величины мощность верховодки достигает весной или осенью. Часто, при малом количестве осадков, верховодка совсем исчезает. Большое количество таких линз. верховодки можно наблюдать в степных районах юго-востока европей­ской части СССР, где они обычно локализованы под степными блюд­цами и другими понижениями рельефа, развитыми на поверхности лессовидных суглинков. Местное население использует эту воду для водо­снабжения.

^ Грунтовые воды. Грунтовые воды пользуются большим распростра­нением. Это воды первого от поверхности постоянного водоносного гори­зонта, залегающего на первом более или менее выдержанном водонепро­ницаемом слое. Они могут накапливаться как в рыхлых пористых антропогеновых и доантропогеновых породах, так и в трещиноватых твердых горных породах. Отсутствие водоупорной кровли обусловливает питание их на всей площади распространения, или, иначе, область пита­ния грунтовых вод совпадает с областью их распространения.

В грунтовых водах следует различать верхнюю поверхность, или зеркало грунтовых вод, и водоупорное ложе (водонепроницаемая горная порода, подстилающая грунтовые воды) (см. рис. 3). Порода, насыщенная водой, называется водоносным слоем или водонос­ным горизонтом. Мощность водоносного слоя — расстояние от зерка­ла грунтовых вод до водоупорного ложа. Грунтовые воды по своим гид­равлическим особенностям — безнапорные или обладающие небольшим местным напором. Уровень грунтовых вод подвержен достаточно резким колебаниям в зависимости от метеорологических условий. К зеркалу грунтовых вод примыкает капиллярная кайма, в которой поры породы лишь частично заполнены водой, поднимающейся по капиллярам.

Движение грунтовых вод. Зеркало грунтовых вод редко бы­вает горизонтальным. Часто оно повторяет, в несколько сглаженном виде, рельеф поверхности и имеет четко выраженный наклон в сторону пони­женных мест. Происходит это вследствие того, что подземные воды находятся в непрерывном движении. Они двигаются в виде грунтового потока, подчиняясь силе тяжести, в направлении к оврагам, рекам, мо­рям и другим понижениям рельефа, где происходит их разгрузка в виде источников. Эти области называются областями разгрузки, или областями дренирования. Грунтовые воды движутся по порам и нешироким трещинам в виде отдельных тонких струек, параллельных друг другу. Такой вид движения называется ламинарным. Скорость движения подземных вод зависит от водопроводимости горных пород, а также от гидравлического уклона зеркала воды. Под уклоном понимается отношение где h — превышение уровня воды в одной точке над уровнем воды в другой; l — расстояние между двумя точками. Уклон зеркала грунтовых вод называют также напорным гра­диентом и обозначают буквой I. Действительная скорость движения грунтовых вод в сравнении со скоростями течения рек относительно невелика. В песках мелкозернистых и однородных скорости движения воды при больших уклонах могут достигать 1—5 м/сут, в крупнозернис­тых гравийных песках— 15—20 м/сут, а в галечниках и сильно трещи­новатых закарстованных известняках 100 м/сут, а иногда значительно больше.

Режим грунтовых вод. Уровень, количество и качество грун­товых вод с течением времени меняется. Они чувствительно реагируют на изменение внешних гидрометеорологических условий, будучи тесным образом связаны с водным режимом Земли.

Основным ведущим 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. Иногда колебания уровня имеют резко выраженный сезонный характер и в тече­ние года достигают нескольких метров. При этих колебаниях некоторые слои пород периодически то заполняются водой, то осушаются. Таким образом, па пространстве от поверхности Земли до водоупорного ложа отчетливо выделяются 8 зоны: 1) зона аэрации, располагающаяся над уровнем грунтовых вод, она не заполнена водом, и атмосферные осадки через нее лишь просачиваются в нижележащие, зоны; 2) зона п е р и о д и ч е с к о г о п а с ы щ е н и я в од о и, расположенная между минимальным уровнем подземных вод, соответствующим засушливым периодам, и наивысшим, устанавливающимся в многоводные периоды.

Рис. 4. Схема залегания и движения грунтовых вод в

междуречном массиве:

1 — песок; 2 — суглинок; 3 — минимальный уровень грун­товых вол; 4 — максимальный уровень грунтовых вод

Рис. 5. Различные случаи соотношения поверхностных и

грунтовых под (но М. Л. Вевиоровской):

А—зеркало грунтового потока наклонено к реке (обрат­ное соотношение наблюдается только в период паводков);

Б—зеркало грунтового потока наклонено от реки, питание грунтовых вод происходит за счет инфильтрации реч­ных вод; 1— водопроницаемые породы; 2 — водонепрони­цаемые породы; 3 — уровень грунтовых вод

Эта зона характеризуется периодическим смачиванием и осушением; 3) зона полного насыщения между наинизшим уровнем грун­товых вод и водоупорным ложем (рис. 4). Вместе с изменением уровня грунтовых вод изменяется дебит источников и химический состав воды. В природных условиях наблюдается гидравлическая связь грунто­вых вод с поверхностными водотоками, или водоемами (реками, озера­ми, и т. п.).

В районах с влажным и умеренным климатом реки как правило дренируют грунтовые воды, зеркало которых наклонено к реке. Однако соотношение уровней грунтовых и речных вод изменяется в разное время года. Во время паводков в реке, когда уровень воды в ней резко повышается, происходит поднятие уровня грунтовых вод в прибрежной полосе и возникает обратный уклон его (от реки) (рис. 5, А). При спаде уровня паводковых вод уровень грунтовых вод в прибрежной по­лосе также снижается и в конце концов приобретает свой обычный уклон.

В районах с засушливым климатом часто наблюдается обратная картина, уровень грунтовых вод понижается от реки и, следовательно, питание их происходит речны­ми водами (рис. 5, Б). Это имеет место у рек Амударьи и Сырдарьи и других, получаю­щих основное питание от тая­ния ледников и снега в горах. При пересечении ими пустын­ных пространств, они теряют часть своего расхода на пита­ние подземных вод. Следует отметить, что в настоящее вре­мя для многих районов факто­ром, оказывающим существен­ное влияние на режим грунто­вых вод, является хозяйствен­ная деятельность человека (отбор воды для -водоснабже­ния промышленных предприя­тий и населенных пунктов, мелиоративные мероприятия, гидротехническое строительство и т. п.). Изменение режима грунтовых вод имеет большое практическое значение при решении ряда народнохозяйственных задач, поэтому изу­чению его уделяется огромное внимание. При решении вопроса о водо­снабжении какого-либо населенного пункта необходимо учитывать наи­более низкое положение уровня грунтовых вод, ниже которого и следует закладывать эксплуатационные скважины и колодцы. Иначе нужно подходить к оценке изменения уровня грунтовых вод при строительстве различного рода сооружений. Здесь особое значение приобретает пра­вильная оценка возможных повышений уровня. Всякое заключение о влиянии грунтовых вод на фундаменты сооружений должно учитывать сведения о наиболее высоком стоянии грунтовых вод для данной мест­ности. При устройстве различных водохранилищ необходимо учиты­вать величину подпора грунтовых вод в берегах и его влияние па раз­личные сооружения. В комплекс исследований подземных вод неотъем­лемой частью входит изучение их режима во времени. Исследования сводятся к длительным (многолетним) стационарным наблюдениям над уровнем грунтовых вод, их температурой, химическим составом, над количеством выпадающих атмосферных осадков и температурой воздуха и над изменением уровня воды в поверхностных водоемах и реках, с которыми обычно связаны грунтовые воды. В настоящее время в раз­личных районах СССР организованы и работают специальные,государ­ственные режимные гидрогеологические станции и, кроме того, сущест­вует много ведомственных станций.

Рис. 6. Схема залегания межпластовых ненапорных вод:

1 — водонепроницаемые породы; 2 — водо­проницаемые породы; 3 — грунтовые воды; 4 — межпластовые воды; 5 — область пита­ния; 6 — источник

Безнапорные межпластовые воды. Помимо грунтовых вод иногда выделяются безнапорные межпластовые воды, отличаю­щиеся от грунтовых вод тем, что находятся между двумя выдержанны­ми ведоупорными пластами (рис.6). Питание их происходит не на всей площади распространения водоносного слоя, а только в месте вы­хода его на поверхность (а).

Обычно такие воды развиты в условиях расчлененного рельефа и залегают, выше базиса эрозии (местной гидро­графической сети). «Они не заполняют полностью водоносного слоя, не имеют соприкосновения с водонепроницаемой кровлей и характеризуют­ся свободной ненапорной поверхностью. На береговых склонах оврагов и рек часто образуются источ­ники, или родники, при вскры­тии контакта водоносных и во­доупорных пород. Таким обра­зом, межпластовые воды явля­ются проточными и по услови­ям передвижения аналогичны грунтовым нисходящим водам,, подчиняющимся законам силы тяжести.

Рис. 8.7. Схема залегания артезианских вод:

1 — область питании; 2—водоносный слой; 3— одотчфоппцаеыые слон; 4 — самоизливающийся колодец; 5— колодец, в котором напорная вода не изли­вается; 6 — пьезометрический уровень напорных вод (рис. Н. П. Костенко)

Напорные, или артезиан­ские, межпластовые воды. К напорным водам относятся, воды, залегающие между дву­мя водонепроницаемыми плас­тами горных пород ниже бази­са эрозии.

Артезианские воды полу­чили свое название от провин­ции Артуа (фр. artesien) во Франции, которая в древности называлась Артезия. Там впер­вые в Европе в 1226 г. при помощи трубчатых колодцев получена самоизливающаяся подземная вода.

Наиболее благоприятные условия для формирования напорных вод создаются в пределах раз­личных прогибов земной коры, а также при моноклинальном залегании горных пород? В первом случае (рис. 8.7, 8,8, I) водоносные слои изогну­ты, в виде мульды или чаши.< Областью питания подземных вод является место выхода водоносного слоя 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 колодцы или пробурить скважины до водоносного слоя, то подземная вода после ее вскрытия поднимется на значительную высоту.

Рис. 8.8. Разрез артезианского бассейн при мульдообразном (/) и моноклинально) (//) залегании пород:

а —область питания; б —область напора в — область разгрузки; М — мощность артезиаыского горизонта, Н, и Н2 — величинь напора; 1 — водоносные породы; 2 — водонепроницаемые породы; 3 — пьезометрический уровень. Стрелками показано направление движения артезианских вод

В колодцах, заложенных на более низких по рельефу участ­ках, вода будет самоизливаться на поверхность, или, как принято говорить, фонтанировать (колодец 4 на рис. 7), в других же остано­вится на какой-то глубине от поверхности (колодец 5). Подъем воды в колодцах бывает различный и зависит от высоты расположения об­ластей питания. Плоскость, проходящая через области питания (с уче­том потери части 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 абсолютных отметках по отношению к уровню моря.

В ряде геологических структур, заключающих артезианские воды, выходы водоносного слоя на поверхность расположены на различной гипсометрической высоте. В этом случае отдельные части структуры характеризуются различными гидрогеологическими условиями. На пло­щади более высокого выхода на поверхности водоносного слоя происходит питание напорных вод (область питания), на площади более низкого выхода слоя напорные воды выходят в виде источников, т. е. разгру­жаются (область разгрузки). Площадь, расположенная между областя­ми питания и разгрузки, называется областью напора (рис. 8, /).

Подземная вода может оказаться под гидростатическим напором и при моноклинальном, или односклопном, залегании пород, особенно в условиях частой смены пород (рис. 8, //), т. е. смены водопроницае­мых пород водонепроницаемыми. Вода, поступившая из области пита­ния в водопроницаемые породы, постепенно передвигается по падению слоя и, наконец, достигает глин, не находя далее выхода. Происходит накопление ее в водоносном слое и она оказывается под гидростатическим давлением. Если вскрыть воду колодцем, то она будет обладать напором и поднимется примерно до высоты питания. Подобные же скопления напорных вод возможны в районах тектонических сбросов, когда по линии сместителя водоносные слои оказываются в контакте с водонепроницаемыми породами.

При чередовании водопроницаемых и водонепроницаемых пород, или пород разной проницаемости, в таких структурах могут находиться несколько напорных водоносных горизонтов.

Рассмотренное формирование подземных вод вследствие инфильт­рации имеет особенно важное значение в верхних напорных водоносных горизонтах, где наблюдается активный водообмен. К этим горизонтам обычно приурочены подземные воды, пресные или слабо солоноватые. В то же время в глубоких водоносных горизонтах напорные воды всегда соленые, нередко рассолы. А. А. Карцев (1969), Н. Г, Киссин (1967) и другие исследователи отмечают в этих условиях большую роль седиментогенных вод в питании крупных бассейнов напорных вод. По их представлениям, в местах наибольшего прогибания земной коры питание напорных вод происходит путем выжимания седимеитационных вод из алеврито-глинистых отложений под действием геостатического давле­ния, созданного нагрузкой накапливающихся выше отложений. Под давлением глинистые породы испытывают значительное уплотнение и вода, присутствующая в них, выжимается в водопроницаемые слои (пески и др.). уплотнение которых незначительно.

• Л р т е з и а п с к и е б а с с е и н ы. Геологические структуры более или менее значительных размеров, содержащие в себе напорные меж­пластовые воды, называют а р т с з и а н с к и м и б а с с с н п а м и. Обыч­но они содержат большие запасы воды, которая широко используется в городах для питьевых и технических целей. В ряде крупных городов напорные воды являются одним из основных источников водоснабже­ния. На территории СССР имеется несколько обширных артезианских бассейнов, приуроченных к мульдообразным или чашеобразным проги-

Рнс. 8.9. Схематический разрез Диепровско-Донецкого артезианского бас­сейна (по К. И. Макову):

/ — песок; 2 — глина; 3 — мел и мергель; 4 — глина с песком; 5 — кри­сталлические породы

бам земной коры, а также к моноклиналям, в которых водопроницае­мые и водонепроницаемые слон чередуются друг с другом.

Наиболее известным и имеющим огромное значение в водоснабже­нии городов и селений центральной части европейской территории Союза являются М о с к о в с к п и артезианский б а с с е и н. На­порные воды приурочены здесь к трещиноватым, местами закарстован-ным известнякам и доломитам каменноугольного возраста. Общая мощность каменноугольных отложений в центральной части Москов­ской впадкны достигает 150—320 м, а к северо-восточной части — 400 м. Напорные воды приурочены здесь к отложениям всех трех отделов — нижпекаменноуголыюму, средпекаменпоуголыюму и верхнекаменно­угольному — и образуют несколько водоносных комплексов, изолирован­ных друг от друга глинистыми слоями. Напорные воды этих горизонтов отличаются хорошими качествами и широко используются в ряде мест и в самой Москве для питьевого и промышленного водоснабжения. Области питания этих водоносных горизонтов располагаются на западе, юго-западе, юге и востоке артезианского бассейна.

В более глубоких слоях девонских отложений Московского арте­зианского бассейна также есть напорные воды, но они отличаются большой минерализацией (содержат много растворенных солей) и для питьевого водоснабжения мало пригодны..

Другим примером является артезианский бассейн, приуроченный к Днепровско-Донецкой (или Северо-Украинской) мульде, представляю-

щей собой впадину, вытянутую в западно-северо-западном направлении и заполненную породами юрской, меловой и палеогеновой систем (рис. 8.9). В центральной части впадины наблюдается несколько на­порных водоносных горизонтов, приуроченных к юрским пескам, к альб-сеноманским пескам, к мергелы-ю-меловой толще верхнего мела, и два водоносных горизонта в песках палеогена. Область питания бассейна располагается па приподнятых северной и северо-восточной окраинах его, а область разгрузки — в долине Днепра. Исключительно благоприятные условия питания н движения подземных вод этого бас­сейна обусловливают большие ресурсы их и хорошее качество. Они используются для водоснабжения многих населенных пунктов, в числе которых находятся такие крупные города Украины, как Киев, Харьков, Полтава.