Как образуются грунтовые воды: Как образуются грунтовые воды — Вода скважина

Как образуются грунтовые воды — Вода скважина

 

 

Как образуются грунтовые воды

Трудно себе представить воду под землей. Некоторые люди считают, что грунтовые воды накапливается в подземных озерах или в подземных реках. На самом деле, грунтовые воды насыщает поры и трещины грунтов и горных пород.

Грунтовые воды преимущественно пополняется за счет осадков. Когда идет дождь или тает снег, часть воды испаряется, некоторое количество усваивается растениями, еще доля осадков стекает по поверхности и собирается в ручьи, а основная попадает через инфильтраты в поры и трещины грунтовых пород.

После засушливого периода осадки первоначально восполняют в почве испарившуюся и используемую растениями воду.

Между поверхностью земли и водоносным горизонтом имеется слой грунта, его гидрологи называют ненасыщенная зона. Так же она называется зона аэрации, где небольшое количество воды задерживается в мелких порах почвы и пород, а крупные трещины содержат только воздух.

После обильных дождей, зона аэрации может быть насыщена, а после долгой засухи — может быть почти сухой.

Немного воды в зоне аэрации удерживается за счет молекулярного притяжения, но в ней не будет работать скважина на воду. Силы притяжения удерживают достаточно воды во влажном полотенце, после того как вода перестает капать.

Как образуются грунтовые воды в горных породах

После потребления воды из почвы растениями, избытки воды проникают в грунтовые воды — в верхнюю часть водоносного горизонта, ниже которой зона насыщенная.

Ниже уровня грунтовых вод, все поры и трещины в скалах полны воды, которая движется по водоносным горизонтам к области разгрузки: родники, колодцы, скважины на воду.

Природное питание водоносных горизонтов на глубине (артезианские бассейны) представляет собой длительный процесс, потому что грунтовые воды медленно движутся через зоны аэрации и водоносные горизонты. Скорость перезарядки артезианских вод является важным фактором.

Было подсчитано, что если водоносный горизонт питается в основном с высоких равнин, где мало осадков, потребуются столетия до выхода воды на поверхность. Таким образом, артезианская скважина сегодня дает нам воду, которая выпала на землю в виде осадков сотни, а то и тысячи лет тому назад… впечатляет?

В отличие от артезианских бассейнов, неглубокий водоносный горизонт в зоне быстрой фильтрации может быть пополнен почти сразу. На этих водоносных горизонтах устанавливают копаные или абиссинские колодцы.

Водоносные горизонты могут быть пополнены искусственно. Например, большие объемы подземных вод, используемые для кондиционирования воздуха, возвращаются в водоносные горизонты через скважины.

Водоносные горизонты могут искусственно пополняться двумя основными способами:

Один из способов — заполнение водой углублений в грунте (борозды, канавы) или возведение небольших дамб на ручьях, чтобы задержать поверхностный сток, тем самым позволяя воде проникнуть в водоносный горизонт

Другой способ заключается в пополнении непосредственно водоносного горизонта водой через скважины

Последний является более дорогим способом, но может быть оправдан, если способ первый не возможен. Некоторые проекты искусственного пополнения были успешными, а другие, к сожалению, принесли разочарования.

Что будет, если через углубление или скважину наполнять водой горизонт примерно до уровня грунтовых вод. При откачивании из колодца, гравитация заставит воду из насыщенных пород перейти в колодец, чтобы заменить утраченную воду.

Это приводит к вопросу: сможет ли вода при откачивании насосом достаточно быстро пополняться?

Некоторые породы, такие как глины или граниты, могут иметь мало мелких трещин, по которым вода может перемещаться. Очевидно, что это бедные водоносные горизонты, и они будут отдавать небольшое количество воды

Для сравнения, породы, такие как трещиноватые песчаники и кавернозные известняки имеют большую пористость, которая позволяют воде двигаться более свободно. Эти породы передают большие количества воды и являются хорошими водоносными горизонтами.

Объем пополнения скважины на воду из водоносного горизонта может варьироваться от нескольких сотен до несколько миллионов литров в день.

Ученым еще много предстоит узнать о различных средах грунтовых вод и их восприимчивости к практике искусственного пополнения.

Грунтовые воды. Определение, характеристика, зональность и их применение

Грунтовые воды – это гравитационные подземные воды первого от поверхности Земли постоянного водоносного горизонта, располагающегося на региональном водоупоре.

Образуются главным образом за счет инфильтрации (просачивания) атмосферных осадков и вод рек, озер, водохранилищ, оросительных каналов. В районах речных долин запасы грунтовых вод пополняются восходящими водами более глубоких горизонтов (например, водами артезианских бассейнов), а также за счет конденсации водяных паров.

Характеристика грунтовых вод

Поверхность грунтовых вод является свободной, т.к. грунтовые воды обычно безнапорные. На отдельных участках, где все же имеется местное водонепроницаемое перекрытие, грунтовые воды приобретают местный напор. Области питания и распространения грунтовых вод совпадают. Вследствие этого условия формирования и режим грунтовых вод отличаются от более глубоких артезианских вод: грунтовые воды чувствительны ко всем атмосферным изменениям. В зависимости от количества выпадающих атмосферных осадков и глубины залегания грунтовых вод их поверхность испытывает сезонные и многолетние колебания. Величины сезонных и многолетних амплитуд колебаний уровней грунтовых вод могут достигать 20 и более метров, что необходимо учитывать при строительстве различного рода объектов. Вблизи рек и водоемов изменения уровня, расхода и химического состава грунтовых вод определяются характером гидравлической связи их с поверхностными водами и режимом последних. Величина стока грунтовых вод за многолетний период приблизительно равна количеству воды, поступившей путем инфильтрации.

Зональность грунтовых вод

Различия условий формирования грунтовых вод обусловливают зональность их географического распределения, которая тесно связана с зональностью климата, почвенного и растительного покрова. В лесных, лесостепных и степных районах распространены пресные (или слабоминерализованные) грунтовыt вод; в пределах сухих степей, полупустынь и пустынь на равнинах преобладают соленые грунтовые воды, среди которых пресные воды встречаются лишь на отдельных участках. Наиболее значительные запасы грунтовых вод сосредоточены в аллювиальных отложениях речных долин, в конусах выноса предгорных областей, а также в неглубоко залегающих массивах трещиноватых и закарстованных известняков (реже в трещиноватых изверженных породах).

Применение грунтовых вод

Грунтовые воды в силу относительно слабой защищенности от загрязнения имеют ограниченное применение как источники водообеспечения промышленных предприятий и городов. Однако для водоснабжения поселков и населенных пунктов в сельской местности их роль достаточно велика. По величине антропогенного воздействия на грунтовые воды различают естественный, слабонарушенный, нарушенный, сильнонарушенный и искусственный режимы грунтовых вод.

Искусственный режим формируется преимущественно под влиянием техногенных факторов (интенсивная эксплуатация грунтовых вод, орошение земель в аридной зоне). Естественные многолетние изменения режима грунтовых вод во многих случаях могут быть причиной активизации оползневой деятельности, карстово-суффозионных процессов, регионального подтопления территории, угнетения наземных экосистем и др.

Для изучения закономерностей и механизмов формирования и прогноза режима грунтовых вод в России организована государственная и ведомственная службы его изучения и прогноза (гидрогеологический мониторинг). Разработана нормативно-методическая база ведения мониторинга и методы сезонных и долгосрочных прогнозов.

Источники: Общая гидрогеология. Климентов П.П. —М., 1980; Изучение, прогноз и картирование режима грунтовых вод. Семенов С. —М., 1980; Гидрогеология. Саваренский Ф.П. —М., 1935.

Где залегают грунтовые воды и каковы условия питания водоносных горизонтов?

Подземные воды залегают в водопроницаемых рыхлых (песок, гравий) и скальных (известняк, песчаник и др.) горных породах.

При характеристике условий залегания подземных вод применяют понятия и термины, приведенные ниже.

Водоносные породы — пласты, линзы и другие формы залегания водопроницаемых горных пород, в которых имеются поровая, трещиноватая и карстовая среды, содержащие подземную воду.

Водоносным горизонтом называют часть пласта или пласт, заполненные водой, приуроченные к одной или нескольким регионально выдержанным толщам водопроницаемых пород, гидродинамически связанным между собой и имеющим общую гидравлическую (при безнапорных водах) или пьезометрическую (при напорных водах) поверхность.

Водоносный комплекс — это комплекс водоносных горизонтов, одинаковых или различающихся по литологическому составу и пористости, приуроченных к породам какого-либо стратиграфического подразделения, среди которых вследствие изменчивости их вещественного состава, сложности тектонических условий или недостаточной изученности водовмещающих пород нельзя выделить отдельные гидравлически самостоятельные водоносные горизонты.

Площадь, в пределах которой распространен водоносный горизонт или комплекс, называется областью, или площадью распространения, а площадь, на которой происходит питание водоносного горизонта, — областью питания. Площадь, где подземные воды вытекают из водоносного горизонта или комплекса, называется областью разгрузки, или дренажа. Области питания и распространения водоносных горизонтов (комплексов) могут совпадать (в случае безнапорных) или не совпадать (в случае напорных вод).

В практике горного дела водоносные горизонты подразделяются в зависимости от их положения относительно пласта полезного ископаемого: если водоносные горизонты залегают над полезными ископаемыми, они называются надрудными (надугольными), если ниже — подрудными (подугольными).

Условия питания водоносных горизонтов зависят от многих факторов. Ведущую роль играет климат. Подземных вод больше там, где выпадает много атмосферных осадков. Большое значение имеют литологический состав пород, залегающих на поверхности, и рельеф (плоский, расчлененный, горный и т. п.).

Грунтовыми водами называют подземные воды первого от поверхности земли постоянно существующего водоносного горизонта, расположенного на первом водонепроницаемом слое. Грунтовые воды имеют свободную водную поверхность. Атмосферные осадки или поверхностные воды, просачиваясь в поры и пустоты горных пород, достигают на какой-то глубине водоупорного слоя и начинают скапливаться, образуя грунтовые воды. Расстояние от поверхности водоносного горизонта до водоупора называют его мощностью.

Рис. 1. Распределение подземной воды в верхней части земной коры.
Зоны: 1 — капиллярная; 2 — водонасыщенная (грунтовый поток)

Рис. 2. Схема грунтового бассейна:
1 — поверхность земли; 2 — уровень грунтовых вод; 3 — водоупор

Рис. 3. Распределение гидроизогипс (в м):
а — гидроизогипсы пересекают водоток без искривления; б — река питает грунтовые воды; в — грунтовые воды питают реку; г — река дренирует (на правом склоне) и питает (на левом) грунтовые воды. Пунктир — уровень подземных вод

Верхняя часть земной коры между земной поверхностью и поверхностью грунтовых вод называется зоной аэрации. В породах этой зоны в порах, трещинах и других пустотах находится парообразная, физически связанная и капиллярная вода (рис. 1).

Поверхность грунтовых вод часто называют уровнем, или зеркалом, грунтовых вод. Глубина залегания зеркала грунтовых вод может быть самой различной.

Грунтовые воды, у которых зеркало представляет собой горизонтальную поверхность, называют бассейном грунтовых вод. Такие бассейны чаще всего образуются при наличии в водоупорном ложе котловины (мульды) (рис. 2). Если же зеркало грунтовых вод наклонное, что свидетельствует об их движении в направлении уклона, то образуется поток грунтовых вод.

Питание грунтовых вод происходит в результате инфильтрации атмосферных осадков (дождь, тающий снег) и поверхностных вод (из рек, озер, прудов), подтока из других водоносных горизонтов (напорных трещинных, карстовых) и конденсации паров воды.

Питание грунтовых вод за счет поступления поверхностных вод происходит повсеместно. В период весенних половодий, а также при выпадении обильных осадков уровень поверхностных вод поднимается, превышая уровень грунтовых вод прибрежной территории. В результате значительная масса воды из поверхностного водоема просачивается в породы, слагающие его берега, питая грунтовые воды. В меженный период, когда уровень воды в водоеме ниже, чем уровень подземных вод, грунтовые воды питают водоемы.

Из сказанного следует, что между поверхностными и грунтовыми водами существует постоянная гидравлическая связь, причем существуют две формы этой связи — режимы подпертой и свободной фильтрации. О характере этой связи можно судить по карте гидроизогипс.

Гидроизогипсами называют линии, соединяющие точки с одинаковыми отметками уровней грунтовых вод. Их строят так же, как изогипсы рельефа земной поверхности.

Если гидравлической связи между поверхностными и грунтовыми водами нет, то гидроизогипсы пересекают поверхностный водоем без искривлений (рис. 3, а), а если грунтовые воды питаются за счет инфильтрации поверхностных вод, то гидроизогипсы изгибаются вниз по течению рек (см. рис. 3, 6), так как зеркало грунтовых вод в этом случае имеет наклон от реки. Если грунтовые воды питают поверхностный водоток, то гидроизогипсы будут изогнуты вверх по течению реки (см. рис. 3, в), так как зеркало грунтовых вод в этом случае наклонено к реке.

Возможна и такая связь между грунтовыми и поверхностными водами, когда на одном склоне долины грунтовые воды питают реку, а на другом река питает грунтовые воды. В этом случае гидроизогипсы на одном берегу будут изогнуты вверх, а на другом — вниз по течению реки (см. рис. 3, г).

При гидрогеологических исследованиях определение характера питания исследуемого водоносного горизонта является весьма важной задачей (особенно при осушении месторождений полезных ископаемых), так как выбор наиболее рациональных способов осушения в значительной степени определяется условиями питания водоносных горизонтов, подлежащих осушению.

Межпластовые подземные воды приурочены к водоносному горизонту, подстилаемому и перекрываемому водоупорными породами. Водонепроницаемые породы, подстилающие водоносный горизонт, называются водоупорным ложем, а перекрывающие его — водоупорной кровлей.

Рис. 4. Схема артезианского бассейна:
1 — водоносный пласт; 2 — водоупорные породы; 3 — уровень воды. А — пределы распространения грунтовых вод; Б — область распространения грунтовых вод; а — область питания напорных вод; б — область напора; в — область разгрузки; Н1 — напорный уровень выше поверхности земли; Н2 — то же, ниже поверхности земли; т — мощность напорного водоносного горизонта; N-N‘ — пьезометрическая поверхность

Рис. 5. Схема залегания подземных вод:
1 — водоупорные породы; 2 — грунтовые воды; 3 — межпластовый безнапорный водоносный горизонт; 4 — артезианский напорный водоносный горизонт. I — колодец, питающийся грунтовой водой; II — колодец, питающийся межпластовой водой, III — артезианская скважина

Рис. 6. Схема выходов источников:
а — симметричное расположение источников в долине реки; б — источник, перекрытый делювием; в — переливающийся источник (и — выход подземных вод на поверхность)

Межпластовые воды могут быть безнапорными и напорными. Первые встречаются сравнительно редко. Надугольный водоносный горизонт на буроугольных месторождениях Днепровского бассейна является типичным примером межпластовых безнапорных подземных вод. Такие воды характерны для месторождений Канско-Ачинского буроугольного, Черемховского и некоторых других бассейнов.

Межпластовые воды бывают напорными, когда все поры и пустоты водоносного пласта заполнены, и вода в водоносном горизонте находится под гидростатическим давлением. Напорные подземные воды, приуроченные к водоносным горизонтам, залегающим обычно на значительной глубине в пределах крупных тектонических структур мульдообразного или моноклинального строения (рис. 4), называются артезианскими.

При вскрытии скважиной водоносного пласта с напорной водой уровень воды в ней поднимается выше водоупорной кровли водоносного горизонта. Линия N-N’, определяющая положение напорного уровня в водоносном пласте, называется пьезометрическим уровнем артезианского пласта. Линии, соединяющие на карте точки с одинаковыми отметками пьезометрического уровня, называются пьезоизогипсами, а сама карта — картой пьезоизогипс. Высота подъема воды выше водоупорной кровли называется напором.

Обычно в толще осадочных пород имеется несколько водоносных пластов с напорными водами.

При характеристике артезианских водоносных горизонтов, помимо глубины залегания водоносного слоя, необходимо также знать напор воды в каждом пункте распространения водоносного горизонта, поэтому для артезианских вод на карте в изолиниях показывают отметки кровли водоносного горизонта. Такая карта называется картой изогипс водоупорной кровли. Для решения практических задач карты поверхности земли в горизонталях, пьезоизогипс и изогипс водоупорной кровли водоносного горизонта совмещают. Пользуясь совмещенной картой, можно легко и быстро определить глубину залегания артезианского горизонта в каждом пункте, величину напора и направление движения артезианских вод, а также установить, будет ли в данном месте скважина фонтанировать или уровень воды остановится на какой-то глубине ниже поверхности земли. Эта глубина может быть определена точно.

Геологические структуры, содержащие один, два или несколько напорных водоносных горизонтов и распространенные на значительной площади, называют артезианскими бассейнами. Такие бассейны выделяют на основании тектонических, стратиграфических и литологических признаков. Площадь артезианских бассейнов колеблется от нескольких десятков до сотен тысяч и миллионов квадратных километров.

На рис. 5 показана общая схема залегания подземных вод.

На участках выклинивания водонепроницаемого слоя между смежными водоносными горизонтами осуществляется их взаимосвязь и за счет перетока воды из горизонта с более высоким пьезометрическим уровнем происходит дополнительное питание смежного.

Источники — это естественные выходы подземных вод на поверхность земли. Они делятся на нисходящие и восходящие.

Нисходящие источники образуются при выходе грунтовых или безнапорных межпластовых вод (рис. 6) на склонах речных долин, балок, оврагов, а также в карьерах. В местах выхода на поверхность грунтовых вод наблюдаются заболоченность или сосредоточенные струи воды, образующие ручейки.

При горизонтальном залегании водоупорного ложа источники образуются по обеим сторонам долины (см. рис. 6, а) на одной и той же высоте, а если водоупорное ложе залегает наклонно, то источники выходят на одной стороне долины. В том случае, когда склоны долины, вскрывающие водоносный горизонт, покрыты наносами, последние маскируют истинный выход грунтовых вод на поверхность и источники появляются в другом месте (см. рис. 6, б).

Помимо постоянно действующих нередко встречаются источники периодически действующие, которые образуются в тех случаях, когда на поверхности водоупорного ложа имеются понижения (см. рис. 6, в). При повышении уровня грунтовых вод они начинают переливаться через край впадины, образуя действующий источник, а при понижении — иссякают.
Дебит нисходящих источников зависит от ряда факторов и изменяется от долей до нескольких десятков кубических метров в секунду.

Восходящие источники образуются в местах выхода на земную поверхность напорных вод. Отличительная особенность их — характер выхода струи воды, которая, поднимаясь под напором снизу, как бы бурлит, бьет ключом. Когда восходящий источник пробивается через песок, на дне водоема образуются небольшие углубления — кратеры, из которых вырываются хорошо различимые струи воды.

Восходящие источники могут возникать под действием гидростатического давления, давления газа (нарзаны) или водяного пара (гейзеры). Вода восходящих источников часто имеет лечебные свойства (нарзан в Кисловодске, радоновые воды в Цхалтубо, источник Дарасун в Забайкалье и др.).

Режимом подземных вод называют изменение во времени их уровня, температуры, химического состава и расхода под влиянием естественных и искусственных факторов. Режим подземных вод определяется геологической обстановкой и климатическими условиями, а также хозяйственной деятельностью человека (осушение, орошение, строительство подпорных гидротехнических сооружений, водоотлив из горных выработок и т. п.).

Динамический режим грунтовых вод существенно отличается от режима артезианских вод. Режим грунтовых вод всецело определяется метеорологическими факторами: атмосферными осадками, температурой воздуха, давлением, испарением. Неравномерность инфильтрации атмосферных осадков является основной причиной изменений режима грунтовых вод, наблюдающихся не только в течение года, но и в многолетний период.

Колебания уровней в трещиноватых и закарстованных породах имеют свою специфику. Максимальной высоты уровни подземных вод достигают весной в период снеготаяния. Значительное повышение уровней наблюдается также во время летних и осенних дождей, в том числе ливневого характера. Амплитуда годовых колебаний уровня может достигать 10 м и более.

Динамический режим артезианских вод в естественных условиях характеризуется большим постоянством, чем режим безнапорных вод. Значительное влияние на режим напорных вод оказывает деятельность человека: из недр земли ежегодно извлекаются огромные массы подземных вод для питьевого, хозяйственного и технического водоснабжения, лечебных целей, ирригации, добычи химического сырья, а также при искусственном водопонижении в связи с проведением строительных, горных и других работ. Во многих крупных городах мира с помощью скважин в течение десятков лет эксплуатируются артезианские воды, в результате чего их уровни значительно снизились. Понижение уровней наблюдается на площади, измеряемой сотнями квадратных километров. На отдельных месторождениях полезных ископаемых глубина обезвоживания достигает 1 км и более. Снижение уровней влечет за собой изменение физических свойств, химического, газового и бактериального состава подземных вод, исчезновение источников, обезвоживание рек и озер, изменение состояния и свойств пород и многие другие процессы.

При создании водохранилищ уровень воды в них значительно превышает уровни, бывшие в реках. Это обусловливает и соответствующие изменения на прилежащих территориях уровней подземных вод, что, в свою очередь, приводит к изменению их количества, условий движения, физических и особенно химических свойств.

Проведение горных работ при добыче полезных ископаемых сопровождается откачками из шахт огромных масс воды. Так, из шахт Донецкого бассейна, которые не отличаются особой водо-обильностью, в 1986 г. откачивалось в среднем 8 м³/с. Естественно, что откачки из горных выработок существенно влияют на режим подземных вод. В том же Донбассе наблюдаются многочисленные случаи «пересыхания» колодцев, находящихся нередко на расстоянии многих километров от границ шахтных полей. Такие явления отмечаются всюду, где ведутся горные работы.

При добыче полезных ископаемых нарушение общих гидрогеологических условий существенно сказывается и на минерализации рудничных (шахтных) вод. Как правило, кислотность и агрессивность рудничных вод на рудниках (медных, колчеданных и др.) с течением времени возрастают, что отрицательно влияет на состояние насосов, труб, рельсов и другого оборудования.

Классификация подземных вод. Подземные воды залегают в земной коре в самых разнообразных геологических условиях. Направление изучения подземных вод зависит от характера их использования, поэтому в основу классификации могут быть положены различные признаки: способ образования, условия залегания, гидравлические свойства, возраст и литологический состав водоносных пород, степень минерализации, состав растворенных солей и газов и др.

По условиям залегания, циркуляции и характеру вмещающих горных пород выделяют следующие типы подземных вод:

1. поровые, залегающие и циркулирующие в порах рыхлых четвертичных отложений, слагающих самую верхнюю часть земной коры;
2. пластовые, залегающие и циркулирующие в порах и трещинах осадочных горных пород, перекрываемых и подстилаемых водоупорными породами; эти воды подразделяются на порово-пластовые и трещинно-пластовые;
3. трещинные, залегающие и циркулирующие в скальных (осадочных, магматических и метаморфических) породах, пронизанных равномерной трещиноватостью;
4. карстовые, циркулирующие в массивах карбонатных, гипсоносных и соленосных раскарстованных пород;
5. трещинно-жильные, циркулирующие в отдельных открытых тектонических трещинах и зонах тектонических нарушений.

От типа подземных вод зависят величина и режим притоков воды в горные выработки, особенно при прорывах.

Может быть интересно

Что такое Подземные воды? | International Groundwater Resources Assessment Centre

Когда дождая вода выпадает на землю, часть ее стекает вдоль поверхности земли в ручьи, реки или озера, часть ее увлажняет почву. Часть этой воды используется растительностью; часть испаряется и возвращается в атмосферу. Часть воды также просачивается в землю, протекает в зону аэрации и достигает водное зеркало, воображаемую поверхность, ниже которой почва насыщена водой (смотри рисунок ниже).

Последнее и является подземными водами: вся вода, найденная под поверхностью земли в зоне насыщения.  

 Иллюстрация водного зеркала, насыщенной зоны и зоны аэрации

Подземные воды содержатся в так называемых «водоносных горизонтах». Водоносный горизонт (аквифер) представляет собой геологическую формацию или ее часть, состоящую из проницаемого материала, способного хранить/получать значительное количество воды. Водоносные горизонты могут состоять из различных материалов: рыхлых песков и гравия, проницаемых осадочных пород, таких как песчаники или известняки, обломков вулканических или кристаллических пород и.т.д.  

Подземные воды (в природе) пополняются дождевой водой и таянием снега, или водой, которая просачивается через дно некоторых озер и рек. Подземные воды также могут пополняться, когда происходит утечка системы водоснабжения или когда посевы орошаются большим количеством воды, чем требуется. Также существуют методы управления питанием водоносного горизонта и увеличения количества воды, просачивающейся в почву. 

Подземные воды могут быть найдены практически везде. Водное зеркало может залегать глубоко или неглубоко, в зависимости от ряда факторов, таких, как физические особенности региона, метеорологические условия, питание и степень эксплуатации. Сильные дожди могут привести к пополнению и вызвать повышение уровня водного зеркала. С другой стороны, длительная засуха может привести к падению уровня водного зеркала. 

Когда подземные воды достигают водоносный горизонт, они не стоят на месте. Как правило, они продолжают течь, но гораздо медленнее, чем до достижения водоносного горизонта. Скорость движения подземных вод зависит от характеристики водоносного горизонта. А движутся они, как правило, от высоких к низким уровням под действием гравитации, при условии отсутствия антропогенного воздействия, например насосных скважин. Подземные воды будут двигаться, пока они не втекут в другой водоносный горизонт или в другой водоем, например в озеро, реку, океан, или до тех пор, пока их не извлекут из колодца. 

Для того, чтобы иметь возможность хранить и производить подземные воды, водоносный горизонт должен обладать определенными физическими характеристиками. Он должен иметь пустоты (поры или трещины), в котором подземные воды могут храниться, и эти пустоты должны быть соединены между собой, что позволит подземным водам протекать через них. С технической точки зрения, при наличии соединенных между собой пустот, подобная геологическая формация является проницаемой. Когда пустот нет или они не связаны между собой, то такая геологическая формация является непроницаемой. Чем выше пористость и проницаемость водоносного горизонта, тем больше подземных вод хранится и производится в нем.

Проницаемые и непроницаемые геологические формации

Почему подземные воды так важны?

Подземные воды представляют собой около 30% мирового запаса пресной воды. Из других 70%, почти 69% содержатся в ледяном покрове и горных снегах/ледняках и лишь 1 % в реках и озерах. Подземные воды представляют собой в среднем одну треть потребляемой людьми пресной воды, а в некоторых частях мира этот процент может достигать 100%. На рисунке ниже дается краткий обзор распределения воды на Земле. 

Распределение воды на Земле

Подземные воды являются очень важным природным ресурсом и играют значительную роль в экономике. Это основной источник воды для орошения и пищевой промышленности. В целом, подземные воды являются надежным источником воды для сельского хозяйства и могут гибко использоваться: когда сухо и спрос выше, может быть извлечено больше подземных вод, а при выпадании достаточного количества осадков необходимость извлечения подземных вод будет меньше. Во всем мире, на орошение приходится более 70 % всего забора воды (как поверхностных, так и подземных вод). По оценкам, примерно 43 % общего объема воды, используемой для орошения, приходится на подземные воды.

Для окружающей среды подземные воды играют очень важную роль в поддержании уровня воды, они пополняют реки, озера и водно-болотные угодья. Особенно во период сухих месяцев, когда происходит очень мало прямого пополнения от дождевых осадков, они обеспечивают окружающую среду потоком подземных вод через дно этих водоемов и становятся существенными для диких животных и растений, обитающих в этой среде. Подземные воды также играют значимую роль в устойчивой навигации через внутренние воды в сухие сезоны. Выход подземных вод в реки помогает поддеживает  более высокий уровень воды. 

Подземные воды можно найти практически везде и качество их, как правило, очень хорошее. Тот факт, что подземные воды хранятся в слоях под поверхностью, и иногда на очень высокой глубине, помогает защитить их от загрязнения и сохранить их качество. Кроме того, подземные воды являются природным ресурсом, который часто может быть найден вблизи конечных потребителей и поэтому не требует больших вложений с точки зрения инфраструктуры и обработки, что часто бывает необходимым при добыче поверхностных вод. Самое главное в использовании подземных вод, это найти правильный баланс между водозабором и предоставлением водоносному горизонту возможности восстановиться, чтобы избежать чрезмерной эксплуатации и загрязнения этого важнейшего ресурса. 

Источники

• USGS – Вода в мире 
• USGS – Что такое подземные воды – Д. В. Кларк и Д.В. Брайэр. Открытый файл отчет 93-643, переиздан в апреле 2001
• Значимость подземных вод — Д – ЛОНГВУДСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Подземные воды — грунтовые воды

Доклад — подземные воды

Воды, находящиеся в земной коре, называются подземными. Для того чтобы они образовались, необходимы два условия:

а) атмосферные осадки, которые выпадают на сушу в достаточном количестве. Они выпадают в виде дождя и тут же просачиваются через горные породы, а если в виде снега — после его таяния. В пустынях и в областях вечной мерзлоты большое значение имеет конденсация водяных паров в порах или трещинах;

б) способность горных пород, слагающих поверхность суши, пропускать воду. Она объясняется тем, что в горных породах есть поры, пустоты, трещины, которые и пропускают воду. Поры — промежутки между частицами горных пород; чем они крупнее, тем легче проходит вода через породу. Размер пор зависит от размера частиц. Чем крупнее частица, тем больше и поры. Хорошо пропускают воду крупнозернистый песок, гравий, галька, торф. Почти не пропускают воду глина, гранит, если только в нем нет трещин. Все горные породы по их способности пропускать воду можно разделить на несколько групп:

водопроницаемые. Это горные породы, легко пропускающие воду: пески, торф, лесс, галечник;

водонепроницаемые или водоупорные. Эти горные породы практически не пропускают влагу: глина, мергель, гранит;

растворимые. Эта группа горных пород сама легко растворяется под действием воды: известняки, мел, гипс, доломит, соли. В этих горных породах в результате растворения могут образоваться пустоты — пещеры (см. Карст), а в них — крупные озера и реки.

Водопроницаемые и водоупорные слои, залегая в земной коре, располагаются различно: в одних местах они залегают горизонтально, а в других могут изгибаться. При этом они очень часто чередуются друг с другом.

Слой, насыщенный водой, называют водоносным слоем. Если он сверху не прикрыт водонепроницаемым слоем, то вода этого слоя называется грунтовой. Грунтовые воды пополняются водой, которая просачивается со всей поверхности, расположенной над ними, поэтому можно утверждать, что грунтовые воды в целом имеют атмосферное происхождение и их количество и глубина зависят прежде всего от величины атмосферного увлажнения. Когда оно избыточно (в тундре, экваториальных лесах), уровень грунтовых вод находится близко от поверхности, а иногда и сливается с ней. Если испарение превышает осадки, то уровень грунтовых вод понижается и залегает тем глубже, чем больше испарение. Глубина залегания грунтовых вод зависит от рельефа. На холмистой равнине поверхность грунтовых вод повторяет рисунок рельефа, но если равнина сильно расчленена речными долинами или оврагами, то грунтовые воды залегают глубоко. Зависят они также и от уровня рек, озер, от наличия растительности, причем последняя на уровень грунтовых вод влияет противоречиво. С одной стороны, древесная растительность корневой системой высасывает влагу и тем самым уменьшает пополнение грунтовых вод. С другой стороны, лесная растительность способствует снегозадержанию, а талый снег питает грунтовые воды.

Если водоносный слой лежит между двумя водонепроницаемыми слоями, то вода этого слоя называется межпластовой. Эти воды пополняются очень медленно. Область питания вод этого слоя находится там, где этот слой выходит на поверхность.

Грунтовые воды медленно «текут» по порам в ту сторону, где их уровень ниже. В оврагах, речных долинах они образуют источники (родники). Межпластовые воды тоже образуют источники, но чаще их добывают из скважин, пробуренных через водоупорные слои до водоносного.

Межпластовые воды могут быть ненапорными и напорными. Последние также называются артезианскими, как бы в напоминание о названии французской провинции Артуа, где в XII веке впервые в Европе был устроен фонтанирующий колодец. В артезианских водах и сосредоточена основная масса подземных вод материка. Геологические структуры равнин, содержащие эти воды, называются артезианскими бассейнами. Крупные артезианские бассейны располагаются на Русской платформе в Прибалтике, в Подмосковье, на Украине. Многочисленны артезианские бассейны и в Северной Африке, в Австралии, где они занимают 1/3 всей площади материка. В США артезианские бассейны находятся в районе Великих озер.

Обычно пласты артезианских вод залегают в виде чаши и водоносный слой в этих чашах ограничен водоупорными пластами сверху и снизу. Вода в водоносном слое испытывает напор вышележащих слоев. Если пробурить скважину, то вода будет подниматься по скважине и фонтанировать. По химическому составу артезианская вода весьма разнообразна. Верхние пласты в артезианском бассейне имеют пресную воду. Она образуется в результате проникновения атмосферных, поверхностных и грунтовых вод. Ниже залегают слои минерализованных вод, химический состав которых формируется в результате смешения верхних пресных и нижних высокоминерализованных. Минеральный состав меняется по бассейнам, что связано с химическим составом глубинных пластов.

Минеральные воды, имеющие целебные свойства, благодаря содержанию в них полезных микроэлементов пользуются особой известностью. Эти воды обладают биологически активными свойствами и оказывают благотворное влияние на организм человека.

В некоторых районах, где есть вулканы, подземные воды имеют высокую температуру (до 100°С). На поверхность они вытекают довольно спокойно, образуя источники, ручьи. А иногда вырываются фонтанами с густыми клубами пара и при этом могут подниматься на высоту нескольких десятков метров. Такие фонтанирующие источники называются гейзерами (исл. geysir — хлынуть). Каждый гейзер имеет определенную периодичность действия, от минуты до нескольких суток, в зависимости от скорости закипания воды и близости ее к источнику нагревания. Например, гейзер Великан на Камчатке выбрасывает струю воды диаметром 3 метра на высоту 40-50 метров через каждые 5-6 часов. При этом пар поднимается на 300-500 метров. Много гейзеров в Исландии, Новой Зеландии, Северной Америке. Горячие подземные воды широко используются человеком для обогревания помещений, теплиц, оранжерей.

Подземные воды — драгоценная часть мировых запасов пресных вод, их надо разумно расходовать и заботливо охранять от загрязнения.

грунтовые воды

   Мне всегда было интересно, каким образом вода может находится под землёй, откуда она там берётся? Как формируются подземные реки, водоносные слои? И как так можно воткнуть гидрофор практически в любом месте земли и оттуда выкачать неограниченные кубометры воды?! Но этот интерес — как и желание быть космонавтом — никогда не провоцировал меня на действие, поиск ответов или чтение спецлитературы. И вот, спустя много лет начало строительства заставило меня, наконец, разобраться с этим вопросом! Я почувствовал не только праздный интерес, но и практическую необходимость удовлетворить своё любопытство. Теперь вот, делюсь с вами!

Теория

    Для начала необходимо выяснить, что такое «подземные воды» в принципе. Подземные воды, судя из названия — это воды, находящиеся в толще горных пород верхней части земной коры в жидком, твёрдом и газообразном состоянии. 

По условиям залегания подземные воды подразделяются на несколько видов:

      Перед тем, как перейти непосредственно к теме «Грунтовые воды», хочется написать пару слов об остальных видах.

  Почвенные воды заполняют часть промежутков между частицами почвы; они могут быть свободными (гравитационными), перемещающимися под влиянием силы тяжести или связанными, удерживаемыми молекулярными силами.

     Грунтовые воды образуют водоносный горизонт на первом от поверхности водоупорном слое. 

    Межпластовые воды — нижележащие водоносные горизонты, заключенные между двумя водоупорными слоями. В отличие от грунтовых, уровень межпластовых вод более постоянен и меньше изменяется во времени. Межпластовые воды более чистые, чем грунтовые. Напорные межпластовые воды полностью заполняют водоносный горизонт и находятся под давлением. 

   Артезианские воды — напорные воды, заключенные в водоносных пластах горных пород между водоупорными слоями. Обычно встречаются в пределах определенных геологических структур (впадин, мульд, флексур и др.), образуя артезианские бассейны. При вскрытии буровой скважиной или шурфом артезианские воды поднимаются выше кровли водоносного пласта, иногда фонтанируют. Обычно эти воды залегают на глубине от 100 до 1000 метров.

    Минеральные воды — это воды, содержащие в своем составе растворённые соли, микроэлементы, а также некоторые биологически активные компоненты. Это сложные растворы, в которых вещества содержатся в виде ионов, недиссоциированных молекул, газов, коллоидных частиц. 

     Теперь по теме.  

  Грунтовая вода — это вода первого от поверхности Земли постоянно существующего водоносного горизонта, расположенного на первом водоупорном слое. Имеет свободную водную поверхность. Обычно над ней нет сплошной кровли из водонепроницаемых пород. В связи с неглубоким залеганием от поверхности уровень грунтовых вод испытывает значительные колебания по сезонам года: он то повышается после выпадения осадков или таяния снега, то понижается в засушливое время. В суровые зимы грунтовые воды могут промерзать. Эти воды в большей мере подвержены загрязнению.

   Грунтовые воды образуются за счёт насыщения атмосферными осадками, водами рек и озёр, притоком поверхностных вод. Область питания грунтовых вод обычно совпадает с областью распространения водоносного горизонта. Мощность горизонта непостоянна и зависит от свойств водосодержащих пород, расстояния до области разгрузки,      интенсивности      питания,

испарения,  температуры,  и даже хозяй-

ственная деятельность человека (строи-

тельство   гидротехнических    и    гидро-

мелиоративных    сооружений,    откачка

воды и нефти из недр, добыча полезных

ископаемых, удобрение сельскохозяйст-

венных земель, промстоки и др.).

       Главная   характерная   особенность

грунтовых вод, отличающая их от более

глубоких артезианских вод  —  отсутствие

напора.

       В     грунтовых      водах     есть     ещё

подвид,  так  называемая «верховодка»  —

сезонное    скопление    вод    в   верхнем

водонасыщенном слое грунта над  водо-

упорными   глинистыми   или   суглинис-

тыми породами.

 

Вода и стройка

     Грунтовые воды относительно легкодоступны, их очень часто используют как непосредственно в строительстве, так и в дальнейшем в водоснабжении дома. Роют под них колодцы, бурят скважины. Но есть у грунтовых вод и значительные негативные свойства, которые могут испортить вам настроение, если не подготовиться.

     Грунтовые воды являются показателем чистоты почв, и если рассматривать эти воды в качестве питьевых ресурсов — то нужно отметить, что именно эти воды подвержены многочисленным техногенным заражениям. Источником заражений могут являться возможные свалки, протечки канализационных систем, животноводческие фермы и загоны для скота и даже неудачно расположенная выгребная яма соседа. Если рядом сельхозполя, то пестициды и удобрения так или иначе попадут в грунтовые воды. Случаи аварийных разливов нефтепродуктов, думаю, даже упоминать не стоит…

   Грунтовая вода зимой является первопричиной морозного пучения. Есть множество очевидных разрушительных проблем из-за наличия высокого уровня грунтовой воды (выталкивание из земли Архимедовыми силами герметичных ёмкостей (кессоны, подвалы), а если не вытолкнет, то нагрузит стенки значительными гидростатическими силами, размывание стенок котлованов и уменьшение несущей способности грунтов, затопление подвалов и т.д.). Кроме того грунтовые воды оказывают разрушающее влияние на бетон и другие строительные материалы на молекулярном уровне. При возведении сооружений грунтовые воды исследуют на агрессивность. Различают следующие типы агрессивности:

• Общекислотная. Водородный показатель воды меньше 6. Повышается растворимость карбоната кальция. В зависимости  от  марки  цемента  и  значений  pH  агрессивность  воды  различна:  при  pH  <  4  наибольшая,  при pH > 6,5 — наименьшая.

• Выщелачивающая. Вода содержит более 0,4—1,5 мг экв. гидрокарбоната. Проявляется в растворении карбоната кальция и выносе из бетона гидроксида кальция. Степень агрессивности воды определяется растворимостью карбоната кальция. Вынос гидроксида кальция увеличивается в присутствии хлорида магния, который вступает в обменную реакцию с гидроксидом кальция, образуя хорошо растворимый хлорид кальция.

• Магнезиальная. Вода содержит более 750 мг/л магния двухвалентного. Предел допустимой концентрации ионов магния зависит от марки цемента, условий, конструкции сооружения, содержания сульфатных ионов и изменяется в широких пределах: от 1,0 до 2,5 %.

• Сульфатная. Вода содержит свыше 250 мг/л сульфатных ионов. Присутствующие в воде в больших концентрациях сульфатные ионы, проникая в бетон, при кристаллизации образуют кристаллогидрат сульфата кальция, являющийся причиной вспучивания и разрушения бетона.

• Углекислотная. Вода содержит свыше 3—4 мг/л углекислоты. Растворение карбоната кальция под воздействием растворённого диоксида углерода с образованием легкорастворимого гидрокарбоната кальция провоцирует процесс разрушения бетона.

    Высокий уровень грунтовых вод  — весьма нежелательное явление! Оно ограничивает возможности застройщиков в выборе типа фундамента, в принятии решения о наличии подвала или цокольного этажа, в назначении сроков начала строительства. Сооружение погреба и канализационного септика так же связаны с уровнем грунтовых вод. Высокий уровень грунтовых вод помешает вам и в обустройстве участка, его озеленении. И если у вас нет нормальной асфальтированной дороги к дому — то даже в этом вопросе грунтовая вода, а в частности верховодка, наверняка даст о себе знать дорожной распутицей.

Возможно ли повлиять на уровень грунтовых вод? 

     Если грунт песчаный, то проблем с верховодкой возникнуть не должно — вся вода уходит глубоко под землю. Однако, если у вас дом на низком берегу реки или озера, то песчаный грунт не поможет — вам придётся считаться с законом сообщающихся сосудов, который создаст под домом такой же уровень воды, как и в водоёме. В этом случае с грунтовыми водами лучше не начинать борьбу, победа будет не на вашей стороне. 

     Если же у вас не песчаный грунт и вы находитесь в некотором отдалении от водоёмов, и при этом у вас высокий уровень грунтовых вод, что тогда? Дренаж! Только дренаж может повлиять на уровень грунтовых вод на локальном участке. И то, если эта вода — верховодка. Т.е. если есть возможность отвести воду самотёком или насосом куда-то ещё ниже, чем находится ваш участок (мелиорационный канал, кювета вдоль дороги, дренажная канава, проходящая вдоль границ участков, овраг). Если же ваш участок находится в низине и мелиорационный канал местные власти копать не собираются — то возможно два варианта. Первый — выяснить глубину залегания грунтовых вод (не верховодки). В некоторых случаях, при удачной геологии, под водоупорным слоем может оказаться водонесущий слой, в который и можно отводить верховодку. Для этой цели бурят несколько скважин на расстоянии 15-20м диаметром 25-30см до этого водоносного слоя и засыпают их щебнем. Правда, есть вероятность, что водоносный слой находится под некоторым давлением и из скважины ударит ключ, в результате воды на участке только прибавится… Тогда скважину нужно плотно забить жирной глиной и забыть про такой способ. Второй вариант — просто насыпать кубометры земли, пока участок не поднимется на достаточно безопасный уровень от грунтовых вод.

    И всё же, в большинстве случаев, есть возможность обойтись просто дренажём! Дренаж — отдельная широкая тема, которой обязательно будет посвящена статья.

Как узнать уровень грунтовых вод?

    Уровень грунтовых вод определяется весной, когда он наиболее высокий, когда таяние зимнего снега происходит очень интенсивно. Высокий уровень этих вод может быть и осенью в следствие затяжных дождей. Уровень определяется замером расстояния от поверхности грунта до зеркала воды в ближайших колодцах или в скважинах. Можно пробурить несколько скважин диаметром 20-30см на участке и пронаблюдать этот уровень непосредственно в месте предполагаемой застройки. Вот, к примеру, несколько фото, сделанных на месте стротиельства: 1 и 2 фото — март, уровень грунтовых вод 30см; 3 фото — май, глубина скважины 1,8м, до воды не дошли; 4 фото — сентябрь, глубина скважины 2,5м, на дне появилась вода.

 

Грунтовые воды и их влияние на грунты основания — SGround.ru

Как грунтовые воды влияют на фундаменты?

Оглавление

1. Введение
2. Влияние грунтовых вод на свойства грунтов основания
3. Агрессивность грунтовых вод
4. Водоносные горизонты и верховодка
5. Уровень грунтовых вод
6. Максимальный прогнозный (расчетный) УГВ
7. Капиллярное поднятие грунтовых вод
8. Искусственное снижение уровня грунтовых вод
9. Заключение
10. Связанные статьи

1. Введение

Как уже отмечалось в других статьях, касающихся морозного пучения грунтов, близость уровня грунтовых вод к фронту промерзания имеет решающее влияние на процессы пучения. Но грунтовые воды опасны не только этим – в теплое время года замачивание так же вызывает резкое снижение показателей физико-механических свойств грунтов по сравнению с сухим или умеренно влажным состоянием. Да и для самих конструкций грунтовая вода не лучший сосед, разберемся почему.

2. Влияние грунтовых вод на свойства грунтов основания

Все связные дисперсные грунты (суглинки, глины, супеси) ухудшают свои физико-механические характеристики при увеличении влажности. При малой влажности глинистые грунты находятся в твёрдом состоянии. С ростом влажности глинистых грунтов они переходят в пластичное состояние, удельное сцепление с и угол внутреннего трения φ закономерно снижаются за счет ослабления структурных связей и смазывающего действия воды на контактах частиц. При дальнейшем увеличении влажности она обычно достигает влажности на границе текучести и грунт разжижается, приобретая свойства вязкой жидкости.

[Глинистые грунты при увеличении влажности сильно снижают свои прочностные качества вплоть до перехода в жидкое состояние]

Фото: Под воздействием влаги грунт потерял несущую способность

На несвязные дисперсные грунты (пески, щебенисты грунты) влажность влияет меньше, т.к. удельное сцепление в них практически отсутствует, а трение между частицами во многом обусловлено формой и характером их поверхности. Однако наличие воды в таких грунтах все же снижает внутреннее трение φ — до 20%.

[Пески и крупнообломочные грунты меньше подвержены влиянию влажности, однако и на них грунтовые воды действуют отрицательно, снижая внутреннее трение до 20%]

В твердой компоненте грунтов могут содержаться и растворимые в воде минералы: гипс, кальцит, каменная соль и др., а также органические вещества, которые под воздействием грунтовых вод растворяются ослабляя структурные связи или образуют пустоты.

Кроме того, существуют специфические грунты, которым контакт с водой противопоказан – это просадочные и набухающие грунты.

Просадочные грунты имеют крупные поры (макропоры) и низкую влажность и в сухом состоянии мало чем отличаются от обычных глинистых грунтов. Но после замачивания они быстро размокают, теряя структурные связи и под нагрузкой резко сжимаются за счет схлопывания пор — просаживаются. Иногда суммарная просадка основания при этом может быть очень велика до метра и более.

Набухающие грунты — глинистые грунты с большим содержанием гидрофильных глинистых минералов и малой влажность в природном состоянии. Поступающая в набухающие грунты влага поглащается поверхностью глинистых частиц, образуя гидратные оболочки. При первоначальном относительно близком расположении частиц, под действием гидратных оболочек они раздвигаются, вызывая увеличение объема грунта и подъем поверхности (почти как при пучении).

3. Агрессивность грунтовых вод

Большинство грунтовых вод являются агрессивной средой для стальных конструкций, то есть погруженные в них конструкции будут разрушены за сравнительно короткий срок: от 1 до 10 лет или даже быстрее.

Так же при определенном химическом составе грунтовые воды оказывают разрушающее воздействие и на бетонные и железобетонные конструкции. Грунтовые воды, способные разрушать цементные бетоны и растворы, называются агрессивными. Агрессивность их зависит от химического состава растворенных в них солей и кислот. Эти вещества попадают в воду из подземных естественных залежей или из отбросов производств. Поэтому агрессивные воды встречаются повсеместно.

Фото: Разрушение железобетонных конструкций под воздействием агрессивной среды

Агрессивность грунтовых вод по отношению к бетону оценивается по содержанию: бикарбонатной щелочности, водородного показателя pH, содержанию свободной углекислоты CO2, содержанию магнезиальных солей (в пересчете на ионы Mg), содержание едких щелочей (в пересчете на ионы K и Na) содержание сульфатов (в пересчете на ионы SO4), содержание едких щелочей (хлоридов, сульфатов, нитратов). Все эти показателю определяются в лаборатории при проведении инженерно-геологических изысканий.

Вода, даже с малым количеством вредных веществ, может оказаться опасной для бетона, так как вследствие непрерывного движения воды в грунте на бетон действуют все новые и новые частицы вредных примесей. Поэтому всегда при инженерно-геологических изысканиях следует производить химический анализ воды.

Во всякой воде имеется, хотя бы в ничтожном количестве, углекислота (СО2). Она может быть связанной (неактивной, неспособной вступать в какие-либо новые соединения) и свободной (активной). Связанная углекислота для бетона безвредна. Свободная (называемая агрессивной) углекислота вступает в реакцию с известью бетона и образует растворимые в воде соли.

В сильно загрязненной воде, при наличии в ней и свободной углекислоты (СО2), и сульфатов (S04), и хлоридов (Сl), и окиси магния (MgO), путем взаимодействия с бетоном образуются растворимые соли, и потому агрессивность воды зависит от совокупности всех этих примесей.

В сравнительно чистой воде при отсутствии хлора (Cl) и свободной углекислоты (СО2), при наличии солей магния (MgO) и натрия (NaO) в количестве, меньшем 60 мг/л, вредны растворы гипса, так как они ведут к образованию сложных солей («цементная бацилла»), которые увеличиваются в объеме и потому разрушают бетон. Весьма вредны примеси азотной и азотистой кислот и аммиака. Наоборот, кремнекислота в любом количестве безвредна.

По степени воздействия на конструкции, воды подразделяются на: неагрессивные, слабоагрессивные, среднеагрессивные и сильноагрессивные (СП 28.13330.2012 Защита строительных конструкций от коррозии).

Агрессивность грунтовых вод зависит не только от концентрации вредных веществ, но и от коэффициента фильтрации грунта (от скорости прохождения воды сквозь грунт).

[Агрессивное воздействие грунтовых вод зависит от способности вмещающего грунта пропускать воду (фильтровать) – чем быстрее грунт пропускает воду, тем агрессивнее она будет воздействовать на конструкции]

Для повышения устойчивости бетонов к агрессивному воздействию жидкой среды применяют; сульфатостойкие цементы; более плотные бетоны с марками по водонепроницаемости W6, W8, W10 и более; гидроизоляцию поверхностей конструкций; водопонижение (дренаж) (см. разделы 5,3, 9.3 и таблицы приложений СП 28.13330.2012).

4. Водоносные горизонты и верховодка

Часто под землёй существует несколько водоносных горизонтов: 2, 3 и более.

Вода задерживается при просачивании с поверхности над водоупорными (главным образом – тяжелыми глинистыми) грунтами и скапливается в водопроницаемых (крупнодисперсных, песчаных) слоях, которые в этом случае называются водоносными. Если водоносный слой находится под водоупорным, то вода в нижнем водоносном слое часто находится под давлением вышележащих слоев. Если в верхнем слое отрыть котлован, то вода поступит в него снизу под давлением и поднимется выше уровня, на котором она первоначально появилась.

Такие воды называются напорными, а уровень, до которого они поднимаются, – установившимся уровнем грунтовых вод. Этот уровень должен выявляться при инженерно-геологических изысканиях и учитываться при проектировании.

Верховодкой называют ограниченный по площади локальный участок водонасыщенных грунтов, расположенный над линзой водоупора (глины, промерзшие грунты). Как правило верховодка имеет небольшую площадь и толщу, залегает близко к поверхности, выше уровня грунтовых вод. Уровень воды в верховодке сильно реагирует на поступление атмосферных вод.

5. Уровень грунтовых вод

[Уровень грунтовых вод (УГВ) – глубина относительно поверхности земли или высотная отметка зеркала свободной поверхности воды в скважине или шурфе. Принимают показатель установившегося уровня, не меняющийся на протяжении как минимум 30 минут]

Наиболее точным способом определения уровня грунтовых вод является бурение скважин или откопка шурфа (небольшого котлована) до появления свободной поверхности воды («зеркала») и дальнейшее заглубление на 0,5-1,5 метра.

Уровень грунтовых вод не является горизонтальной поверхностью и обычно меняется вместе с рельефом, повторяя его в сглаженной форме – при подъеме рельефа УГВ тоже поднимается, но в меньшей степени.

При наличии на участке открытых водоемов УГВ вблизи водоема совпадает с отметкой дневной поверхности открытой воды и меняется вместе с ней, а при отдалении от водоема отличается в большую или меньшую сторону.

В течение года УГВ так же не стоит на месте и постоянно меняется. Наивысший уровень грунтовых вод в широтах с значительным скоплением снега зимой обусловлен инфильтрацией талых вод в весенний период. Второй, менее выраженный высокий уровень, приурочен к осеннему периоду дождей. Самый низкий уровень наблюдается летом и в конце зимы.

После зимнего минимума происходит резкий подъем УГВ при таянии снега. Продолжительность весеннего максимума часто не превышает 10 дней

Изменение рельефа при строительстве и планировке грунтов могут нарушать естественные процессы перераспределения и движения грунтовых вод, а, следовательно, изменять уровень грунтовых вод. Основными техногенными нарушениями являются:

• Нарушение поверхностного стока атмосферных вод – текли себе ручейки много лет по одному месту, а тут при строительстве все перекопали, участок подняли и в итоге соседний участок стал утопать в воде. Такое явление встречается достаточно часто.
• Экранирование поверхности грунта на большой площади. После этого произойдет накопление влаги под закрытым участком и повышение влажности грунтов основания.

Грунтовые воды находятся в постоянном движении, хоть это движение и медленное, и не заметное человеческому глазу, но оно непрерывно происходит как по вертикали, так и по горизонтали в сторону областей разгрузки (водоемы, низины, реки и т.д.).

6. Максимальный прогнозный (расчетный) УГВ

В качестве расчетных горизонтов грунтовых вод следует принимать их наивысшие уровни весной и осенью, а при наличии данных и в конце зимы

Если есть необходимость получить расчетный уровень грунтовых вод, то следует воспользоваться нормативной литературой. Например, «пособие к СНиП 2.05.02-85 По проектированию методов регулирования водно-теплового режима верхней части земляного полотна» раздел 3.

Расчеты громоздкие и здесь я их приводить не буду. Отмечу только что при выполнении инженерно-геологических изысканий в отчетах как правило указывают о возможности изменения УГВ на величину +/- 1,0 м от полученного при изысканиях положения. Реже колебания принимают +/- 0,5 или +/- 1,5 м.

[Таким образом за расчетный уровень грунтовых вод, как правило, следует принимать уровень на 1,0 метра выше чем тот что был получен замером при изысканиях.]

7. Капиллярное поднятие грунтовых вод

[Водонасыщенными являются не только грунты ниже уровня грунтовых вод, но и некоторая толща грунтов выше него – это слой капиллярного поднятия грунтовых вод]

За толщину слоя капиллярного поднятия воды принимается расстояние от уровня подземной воды со свободной поверхностью (в скважине) до отметки, где влажность глинистого грунта не превышает влажности на границе раскатывания.

[Влажность на границе раскатывания W_Р — соответствует влажности, при которой грунт теряет пластичность и переходит в твердое состояние. Граница раскатывания качественно соответствует такому состоянию, при котором жгут, раскатанный из грунта до диаметра 3 мм начинает крошиться на кусочки до 1 см длиной.]

Толщину слоя капиллярного поднятия называют морозоопасной «каймой» над уровнем подземной воды. Эта кайма зависит от состава и сложения грунта в природных условиях, и толщина ее колеблется в пределах от 0,3 до 3,5 м в зависимости от степени дисперсности грунта.

Капиллярное поднятие воды в грунтах происходит под действием поверхностной энергии минеральных частиц грунта и, следовательно, зависит от их удельной поверхности. Например, в песках круглых и средней крупности удельная поверхность частиц сравнительно небольшая, поэтому в этих песках почти не наблюдается капиллярного поднятия воды и вследствие этого отсутствуют деформации морозного пучения (они относятся к непучинистым грунтам).

Пески мелкие и пылеватые состоят из более мелких частиц по сравнению с песком крупным, и вследствие взаимодействия удельной поверхности минеральных частиц с водой капиллярное поднятие в природных условиях наблюдается на высоту от 0,3 до 0,5 м. В супесях высота капиллярного поднятия достигает от 0,5 до 1 м, в суглинах — до 1,5 м, в глинах — до 3 м.

Скорость передвижения воды по капиллярам значительно меньше, чем скорость подъема УГВ и обычно капиллярная кайма отстает от изменений УГВ.

Не все грунтовые воды имеют естественное происхождение. При прорыве водопровода локально водонасыщенные грунты при промерзании неравномерно вспучиваются, что вызывает серьезные повреждения зданий и сооружений.

8. Искусственное снижение уровня грунтовых вод (дренаж, водопонижение)

Для многих дачников и владельцев частных домов с подвалом вопрос снижения УГВ очень наболевший. Как можно справиться с высокими грунтовыми водами? – необходимо делать дренаж.

Дренажи бывают разных видов: горизонтальная система дренажных труб, вертикальный дренаж скважинами или иглофильтрами, открытый дренаж каналами и лотками и даже создание искусственных водоемов. Отток воды бывает естественным и принудительным – с помощью насосов.

[Дренаж в строительстве – в переводе на русский язык означает удаление/отведение воды. Иногда дренажом называют удаление воды с поверхности, но чаще речь идет об отводе грунтовых вод. Можно так же заменить термином «водопонижение»]

Главное при создании дренажа (водопонижении) это чтобы было куда отводить воду – необходимо такое место куда можно на длительный срок направить воду с осушаемого участка, не навредив при этом ни соседям и их постройкам, ни экологии.

Сток дренажных вод можно направить: в водосточную канаву за границей участка (если она есть), в ближайший водоем (если он не имеет рыбохозяйственного значения), в ливневую канализацию (если она есть), в сторону понижения рельефа (при наличии, и если там нет соседей).

Вообще в большинстве случаев дренаж выполнить реально. Это большая тема, требующая отдельного разговора, поэтому перенесем ее в отдельную статью.

9. Заключение

Глинистые грунты при увеличении влажности снижают свои прочностные качества вплоть до перехода в жидкое состояние. Пески и крупнообломочные грунты меньше подвержены влиянию влажности, однако и на них грунтовые воды действуют отрицательно.

В течение года УГВ не стоит на месте и постоянно меняется. Наивысший уровень грунтовых вод чаще всего наблюдается в весенний и реже в осенний периоды. Самый низкий уровень наблюдается летом и в конце зимы.

За расчетный уровень грунтовых вод, как правило, следует принимать уровень на 1,0 метра выше чем тот что был получен замером при изысканиях. Но водонасыщенными являются не только грунты ниже уровня грунтовых вод, но и некоторая толща грунтов выше него – это слой капиллярного поднятия грунтовых вод которая может иметь мощность до 3,5 м в зависимости от типа грунта.

Большинство грунтовых вод являются агрессивной средой для стальных конструкций, и довольно часто грунтовые воды оказывают разрушающее воздействие на бетонные и железобетонные конструкции.

Вывод — высоко расположенные грунтовые воды негативно влияют на характеристики большинства грунтов основания и часто оказывают агрессивное воздействие на сами конструкции фундаментов, да и выполнение строительных работ они сильно затрудняют, поэтому желанным гостем их никак не назовешь. При проектировании и строительстве этому обстоятельству следует уделять должное внимание, возможно Вам следует предусмотреть дренаж еще на стадии проектирования фундамента.

10. Связанные статьи

Дренаж участка, системы дренажа, водопонижение

Подземные воды | Национальное географическое общество

Вода, которая спустилась с поверхности почвы и собралась в промежутках между отложениями и трещинами внутри породы, называется подземной водой. Подземные воды заполняют все пустые пространства под землей в так называемой насыщенной зоне, пока не достигают непроницаемого слоя породы. Подземные воды содержатся и проходят через массивы горных пород и отложений, называемые водоносными горизонтами. Время, в течение которого грунтовые воды остаются в водоносных горизонтах, называется временем их пребывания, которое может широко варьироваться от нескольких дней или недель до 10 тысяч лет и более.

Вершина насыщенной зоны называется уровнем грунтовых вод, а над уровнем грунтовых вод находится ненасыщенная зона, где промежутки между камнями и отложениями заполнены как водой, так и воздухом. Вода в этой зоне называется почвенной влагой и отличается от грунтовых вод.

Существующие подземные воды могут выводиться через родники, озера, реки, ручьи или искусственные колодцы. Он пополняется за счет осадков, таяния снегов или просачивания воды из других источников, включая орошение и утечки из систем водоснабжения.

Для искусственного сброса грунтовых вод в водоносный горизонт необходимо пробурить скважину, а для скважины обычно требуется насос, чтобы перекачивать воду вверх из водоносного горизонта. Артезианские скважины бурятся в водоносные горизонты, которые ограничены непроницаемым слоем горной породы как сверху, так и снизу, и давление воды из источника подпитки, расположенного выше точки выхода скважины, приведет к выталкиванию грунтовых вод вверх через артезианскую скважину с использованием насоса ненужный.

Одна из важных причин, по которой грунтовые воды добываются из колодцев, — это обеспечение питьевой водой.Фактически, подземные воды обеспечивают питьевой водой более 50 процентов населения США, в том числе почти 100 процентов сельского населения США. Он также используется в бытовых, промышленных и коммерческих целях, хотя большая часть подземных вод фактически используется для орошения сельскохозяйственных угодий.

Мы должны позаботиться о том, чтобы не откачивать сразу слишком много грунтовых вод. Это может привести к пересыханию колодцев, если количество воды, поступающей в результате подпитки, не будет соответствовать нашим темпам удаления грунтовых вод. Это уже произошло в Ист-Портервилле, Калифорния, где продолжительная засуха вынудила людей пробурить более глубокие скважины, что привело к снижению уровня грунтовых вод и дальнейшему пересыханию скважин.Еще одна угроза подземным водам — ​​это загрязнение удобрениями, пестицидами и отходами из септических резервуаров, которые могут просачиваться в водоносные горизонты с поверхности почвы.

Подземные воды находятся повсюду под поверхностью почвы и могут постоянно присутствовать во многих местах, если им позволено пополняться. Даже в засушливых условиях он поддерживает течение рек и ручьев, пополняя их, обеспечивая ценную замену осадкам.

Как возникают грунтовые воды

Как возникают грунтовые воды Трудно представить себе воду под землей.Некоторые считают, что грунтовые воды собираются в подземных озерах или стекают в подземные реки. Фактически, грунтовые воды — это просто подземные воды, которые полностью пропитывают поры или трещины в почвах и породах. Подземные воды пополняются за счет атмосферных осадков и, в зависимости от местного климата и геологии, неравномерно распределяются как по количеству, так и по качеству. Когда идет дождь или тает снег, часть воды испаряется, часть выделяется растениями, часть течет по суше и собирается в ручьях, а часть проникает в поры или трещины почвы и скал.Первая вода, попадающая в почву, заменяет воду, испарившуюся или использованную растениями в предшествующий засушливый период. Между поверхностью суши и водоносным горизонтом находится зона, которую гидрологи называют зоной ненасыщенности. В этой ненасыщенной зоне обычно есть, по крайней мере, немного воды, в основном в более мелких отверстиях почвы и скалы; большие отверстия обычно содержат воздух вместо воды. После сильного дождя зона может быть почти насыщенной; после долгой засухи он может стать почти сухим.Некоторое количество воды удерживается в ненасыщенной зоне за счет молекулярного притяжения, и она не будет течь к колодцу и не попадать в него. Подобные силы удерживают достаточно воды во влажном полотенце, чтобы оно стало влажным после того, как с него перестали капать. Как грунтовые воды встречаются в горных породах. После того, как потребности растений и почвы в воде будут удовлетворены, избыток воды будет просачиваться в уровень грунтовых вод — верхнюю часть зоны, ниже которой отверстия в породах насыщены.Ниже уровня грунтовых вод все отверстия в скалах заполнены водой, которая движется через водоносный горизонт к ручьям, источникам или колодцам, из которых забирается вода. Естественное заполнение водоносных горизонтов на глубине — медленный процесс, поскольку грунтовые воды медленно перемещаются через ненасыщенную зону и водоносный горизонт. Скорость перезарядки также является важным фактором. Было подсчитано, например, что если водоносный горизонт, лежащий под высокогорными равнинами Техаса и Нью-Мексико — область с небольшим выпадением осадков — будет опустошен, то потребуются столетия, чтобы заполнить водоносный горизонт при нынешней небольшой скорости восполнения.Напротив, неглубокий водоносный горизонт в районе значительного количества осадков может быть восполнен почти сразу. Водоносные горизонты можно пополнять искусственно. Например, большие объемы грунтовых вод, используемых для кондиционирования воздуха, возвращаются в водоносные горизонты через питающие скважины на Лонг-Айленде, штат Нью-Йорк. Водоносные горизонты можно искусственно подпитывать двумя основными способами: одним из способов является распространение воды по земле в ямах, бороздах или канавах или возведение небольших плотин в руслах ручьев, чтобы задерживать и отклонять поверхностный сток, тем самым позволяя ему проникать в водоносный горизонт. ; другой способ — построить питательные колодцы и закачать воду непосредственно в водоносный горизонт, как показано на странице 10.Последний метод является более дорогостоящим, но может быть оправдан там, где метод разбрасывания невозможен. Хотя некоторые проекты искусственного пополнения запасов были успешными, другие не принесли результатов; предстоит еще многое узнать о различных средах грунтовых вод и их восприимчивости к методам искусственного пополнения запасов. Проще говоря, колодец можно рассматривать как не что иное, как очень большую пору в породе. Колодец, вырытый или пробуренный в насыщенных породах, заполнится водой примерно до уровня грунтовых вод.Если вода перекачивается из колодца, сила тяжести заставляет воду перемещаться из насыщенных пород в колодец, чтобы заменить откачиваемую воду. Это приводит к вопросу: будет ли вода поступать достаточно быстро при перекачке, чтобы обеспечить непрерывную подачу воды? Некоторые породы, такие как глина или твердый гранит, могут иметь только несколько микротрещин, через которые может проходить вода. Очевидно, что такие породы пропускают лишь небольшое количество воды и являются плохим водоносным горизонтом. Для сравнения, такие породы, как трещиноватые песчаники и пещеристый известняк, имеют большие соединенные отверстия, которые позволяют воде двигаться более свободно; такие породы пропускают большее количество воды и являются хорошими водоносными горизонтами.Количество воды, которое водоносный горизонт будет давать в скважину, может варьироваться от нескольких сотен галлонов в день до нескольких миллионов галлонов в день. Следующая страница Грунтовые воды Дома Грунтовые воды Как возникают грунтовые воды Качество грунтовых вод Оценка национального глоссария ресурсов подземных вод

Образование подземных вод | Энциклопедия.com

Подземные воды — это пресные воды в слоях горных пород и почвы под поверхностью суши Земли. Часть осадков (дождь, снег, мокрый снег и град), выпадающих на землю, проникает в поверхность и становится грунтовыми водами. Водоносные слои горных пород, называемые водоносными горизонтами, насыщены (пропитаны) грунтовыми водами, которые движутся, часто очень медленно, через небольшие отверстия и пространства. Эти грунтовые воды затем возвращаются в озера, ручьи и болота (влажные низменные земли с травянистыми растениями) на поверхности земли через родники и выходы (небольшие родники или бассейны, где грунтовые воды медленно просачиваются на поверхность).

Подземные воды составляют более одной пятой (22%) всех запасов пресной воды на Земле, и они играют ряд важнейших гидрологических (связанных с водой), геологических и биологических ролей на континентах. Слои почвы и горных пород в зонах пополнения запасов грунтовых вод (точка входа воды в водоносный горизонт) уменьшают наводнения, поглощая избыточный сток после проливных дождей и весеннего таяния снегов. Водоносные горизонты накапливают воду в засушливые сезоны и сухую погоду, а поток подземных вод переносит воду под засушливые (сухие) пустыни и полузасушливые луга.Сброс подземных вод пополняет потоки, озера и заболоченные земли на поверхности земли и особенно важен в засушливых регионах, где выпадает ограниченное количество осадков. Текущие подземные воды взаимодействуют с горными породами и минералами в водоносных горизонтах и ​​переносят растворенные химические вещества, создающие породы, и биологические питательные вещества. Яркие сообщества растений и животных (экосистемы) живут в источниках и выходах грунтовых вод и вокруг них.

Почти вся пресная жидкая вода, доступная для использования человеком, поступает из-под земли.(Основная часть пресной воды Земли заморожена во льду в регионах Северного и Южного полюсов. Вода в ручьях, реках, озерах, водно-болотных угодьях, в атмосфере и в живых организмах составляет лишь крошечную часть пресной воды Земли.) Для тысяч В течение многих лет люди использовали грунтовые воды из источников и неглубоких колодцев для наполнения резервуаров с питьевой водой, а также для полива скота и сельскохозяйственных культур. Сегодня потребности человека в воде намного превышают запасы поверхностной воды во многих регионах, и быстрорастущее человеческое население Земли в значительной степени полагается на грунтовые воды, чтобы удовлетворить свой постоянно растущий спрос на чистую пресную воду.

Водоносные горизонты: пресная вода под землей

Водоносный горизонт — это скальный массив или грунт, который дает воду для использования человеком. Большинство водоносных горизонтов представляют собой водонасыщенные слои горных пород или рыхлых отложений. За исключением нескольких водоносных горизонтов, в которых есть пещеры, заполненные водой, водоносные горизонты — это не подземные озера или резервуары для хранения, а скорее каменные «губки», которые удерживают грунтовые воды в крошечных трещинах, полостях и порах (крошечные отверстия, в которых жидкость может проход) между зернами минералов (породы состоят из минералов).Общий объем пустого порового пространства в Материал породы, называемый пористостью, определяет количество грунтовых вод, которое может удерживать водоносный горизонт. Такие материалы, как песок и гравий, обладают высокой пористостью, что означает, что они могут поглощать большое количество воды. Такие породы, как гранит, мрамор и известняк, имеют низкую пористость и являются плохими резервуарами грунтовых вод.

Карст и водоносный горизонт Эдвардса

Водоносный горизонт Эдвардса — это резервуар подземных вод, сделанный из известняковой породы, который сегодня обеспечивает водой почти 2 миллиона человек в 10 округах центрального Техаса.Прозрачная, прохладная, чистая вода течет из естественных источников и неглубоких колодцев вдоль зоны разлома Балконс (трещина в земной коре, по которой скалы с одной стороны перемещались относительно пород с другой стороны), которая протекает через города Сан. Антонио, Остин и Уэйко. Разнообразные сообщества растений и животных, включая людей, процветали в зоне разгрузки водоносного горизонта Эдвардс в течение десятков тысяч лет. Племена коренных американцев, в том числе команчи, апачи и тонкава, жили у родниковых бассейнов Эдвардсов, пили прохладную воду и охотились на дичь более 12000 лет до прибытия испанских исследователей и европейских поселенцев.

Слои горных пород, составляющие водоносный горизонт Эдвардса, заполнены сотами из пещер, полостей и каналов, образовавшихся в результате химической реакции между водой и известняком. Дождевая вода растворяет известняк. Каждая слегка кислая дождевая капля, попадающая в зону подпитки водоносного горизонта Эдвардс, растворяет немного известняка. За геологическое время известняк растворился и образовал «водопровод» водоносного горизонта Эдвардса. Ландшафт и геологические особенности, созданные растворением известняка — воронки, исчезающие и вновь появляющиеся ручьи, пещеры и пещеры — называются карстом.

Сегодня миллионы людей делят подземные воды из водоносного горизонта Эдвардс с местными биологическими пользователями. Чрезмерное использование и загрязнение угрожают количеству и качеству грунтовых вод, вытекающих из Эдвардса. Хотя карстовые водоносные горизонты, такие как Эдвардс, относительно быстро текут, средняя молекула воды все еще проводит около 200 лет, путешествуя через водоносный горизонт. (Часть воды, вытекающей из Бартон-Спрингс в центре Остина, вероятно, попала в водоносный горизонт примерно во время американской революции!) Деятельность человека, препятствующая попаданию воды в водоносный горизонт, например, укладка тротуара в зоне подпитки или удаление воды быстрее, чем она Попадание внутрь, как и перекачка большого количества воды для сельскохозяйственных культур, может снизить уровень воды в водоносном горизонте и вызвать пересыхание источников и колодцев.Когда загрязняющие вещества, такие как сельскохозяйственные стоки или промышленные химикаты, попадают в систему грунтовых вод, они почти не фильтруются в родниках и колодцах в зоне сброса. Изменения качества и количества грунтовых вод в водосборных бассейнах угрожают ряду видов саламандр, рыб и насекомых. Экологи, разработчики и правительственные чиновники в центральном Техасе работают над поиском решений, которые защищают Эдвардс, его экосистемы и обильное количество высококачественной воды, которую он снабжает быстро растущим населением центрального Техаса.

Водоносные горизонты должны иметь высокую проницаемость в дополнение к высокой пористости. Проницаемость — это способность породы или другого материала чтобы вода могла проходить через него. Поровое пространство в проницаемых материалах взаимосвязано по всей породе или отложениям, что позволяет грунтовым водам свободно перемещаться через них. Некоторые высокопористые материалы, такие как грязь и глина, имеют очень низкую проницаемость. Они впитывают и удерживают воду, но не выпускают ее легко в колодцы или другие точки сброса грунтовых вод, поэтому они не являются хорошими материалами для водоносных горизонтов.Песчаник, известняк, трещиноватый гранит, ледниковые отложения, рыхлый песок и гравий — примеры материалов, из которых образуются хорошие водоносные горизонты.

Вода входит в водоносные горизонты, просачиваясь на поверхность земли в точках входа, называемых зонами подпитки, и уходит в точках выхода, называемых зонами разгрузки. (Некоторые водоносные горизонты сбрасываются в океан.) Притекающие или «водоотдающие» ручьи, пруды или озера — это водоемы поверхностных вод в зонах подпитки, которые отводят грунтовые воды из своих источников водоснабжения. Подземные воды стекают в сточные или «водозаборные» ручьи и пруды в зонах разгрузки.

Чтобы уровень воды в водоносном горизонте оставался постоянным, количество воды, поступающей в зоны подпитки, должно равняться количеству, уходящему в зоны разгрузки. (Представьте ведро с отверстиями под капающим краном. Если вода капает с той же скоростью, что и капает, уровень воды остается прежним.) Если вода выходит или откачивается из водоносного горизонта быстрее, чем восстанавливается, грунтовые воды уровень (уровень грунтовых вод) упадет. Время, которое средняя молекула воды проводит в водоносном горизонте, называется временем ее пребывания.Вода в некоторых быстро текущих водоносных горизонтах находится под землей всего несколько дней, в то время как другие слои горных пород могут удерживать воду в течение десяти тысяч лет. Среднее время существования водоносных горизонтов составляет около двухсот лет.

Уровень грунтовых вод и неограниченные водоносные горизонты Вода входит в водоносные горизонты, медленно перемещаясь вниз через слой поверхностных пород и почвы, поровые пространства которых частично заполнены воздухом (зона инфильтрации). Вода продолжает движение вниз, пока не достигнет уровня, на котором все поровые пространства полностью заполнены водой (зона насыщения).Вершина зоны насыщения называется уровнем грунтовых вод. В некоторых влажных низменных регионах, например на юге Флориды, вода может быть всего на несколько футов (метров) ниже поверхности. В других странах, например на юго-западе Америки, водонасыщенные породы могут находиться на сотни футов ниже поверхности суши.

Резервуары подземных вод, которые имеют однородные свойства породы или почвы (пористость и проницаемость), называются неограниченными водоносными горизонтами. Уровень грунтовых вод образует верхнюю поверхность неограниченного водоносного горизонта.Форма уровня грунтовых вод в неограниченном водоносном горизонте отражает форму поверхности суши, но ее склоны пологие. В умеренном (умеренном) климате с умеренным количеством осадков, пополняющих грунтовые воды, вода проникает в неограниченные водоносные горизонты в зонах подпитки на вершинах холмов и сбрасывается в сточные потоки и пруды в низинах, где уровень грунтовых вод пересекает поверхность земли. Вода поднимется только до уровня грунтовых вод в колодце, поэтому для извлечения воды из неограниченного водоносного горизонта требуется насос или ведро.

Замкнутые водоносные горизонты и артезианские потоки Замкнутые водоносные горизонты — это резервуары подземных вод под давлением, которые лежат под слоями непроницаемых горных пород (гранит, сланец) или отложений (глина). Подземные воды проникают в замкнутый водоносный горизонт в зонах питания за пределами верхних кромок ограничивающего слоя и выходят за пределы нижних кромок. Подземные воды, находящиеся под непроницаемым барьером, не могут подняться до уровня грунтовых вод, поэтому давление в замкнутых водоносных горизонтах возрастает. Артезианские скважины — это скважины, пробуренные в замкнутых водоносных горизонтах, где давление достаточно велико, чтобы вода текла на поверхность.

Лори Дункан, доктор философии, и Марси Дэвис, магистр наук

Для получения дополнительной информации

Книги

Пипкин, Бернард, В. и Д. Д. Трент. Геология и окружающая среда: ресурсы пресной воды (глава 8). Пасифик Гроув, Калифорния: Брукс / Коул, 2001.

Press, Фрэнк и Раймонд Сивер. Понимание Земли: гидрологический цикл и подземные воды (глава 12). Нью-Йорк: У. Х. Фриман и компания, 2003.

Веб-сайты

«Водоносный горизонт.« Управление водоносного горизонта Эдвардса. http://www.edwardsaquifer.org/ (доступ 16 августа 2004 г.).

« Вода Земли ». Геологическая служба США по водным наукам для школ. http: //ga.water. usgs.gov/edu/mearth.html (по состоянию на 16 августа 2004 г.).

«Подземные воды». Environment Canada. http://www.ec.gc.ca/water/en/nature/grdwtr/e_gdwtr .htm (по состоянию на 16 августа 2004 г.)

«Фонд подземных вод». Фонд подземных вод. http: //www.groundwater.org (по состоянию на 16 августа 2004 г.).

Что такое подземные воды? | Международный центр оценки ресурсов подземных вод

Когда дождь падает на землю, часть его стекает по поверхности земли в ручьи, реки или озера, а часть увлажняет землю. Часть этой воды используется растительностью; часть испаряется и возвращается в атмосферу. Часть воды также просачивается в землю, проходит через ненасыщенную зону и достигает уровня грунтовых вод, который представляет собой воображаемую поверхность, с которой земля под ней насыщена (см. Иллюстрацию ниже).

Последний — это грунтовые воды: вся вода, находящаяся под поверхностью земли в насыщенной зоне.

Уровень грунтовых вод, насыщенные и ненасыщенные зоны (важность подземных вод)

Подземные воды содержатся в так называемых «водоносных горизонтах». Водоносный горизонт — это геологическая формация или ее часть, состоящая из проницаемого материала, способного удерживать / давать значительные количества воды. Водоносные горизонты могут состоять из разных материалов: рыхлые пески и гравий, проницаемые осадочные породы, такие как песчаники или известняки, трещиноватые вулканические и кристаллические породы и т. Д.

Подземные воды (естественным образом) подпитываются дождевой водой и талым снегом или водой, которая протекает через дно некоторых озер и рек. Подземные воды также можно пополнять при протечке систем водоснабжения и при орошении сельскохозяйственных культур большим количеством воды, чем требуется. Существуют также методы регулирования подпитки водоносного горизонта и увеличения количества воды, проникающей в землю.

Подземные воды можно найти почти везде. Уровень грунтовых вод может лежать глубоко или неглубоко в зависимости от нескольких факторов, таких как физические характеристики региона, метеорологические условия и скорость пополнения запасов и эксплуатации.Сильные дожди могут увеличить подпитку и вызвать повышение уровня грунтовых вод. Но, с другой стороны, продолжительный период засушливой погоды может вызвать падение уровня грунтовых вод.

Когда грунтовые воды достигают водоносного горизонта, они не стоят на месте. Обычно он будет продолжать движение, но намного медленнее, чем до достижения водоносного горизонта. Скорость движения грунтовых вод зависит от характеристик водоносного горизонта. Направление, в котором он движется, обычно от высоких к более низким уровням управляется силой тяжести, за исключением случаев антропогенного воздействия, такого как насосные скважины.Подземные воды будут двигаться до тех пор, пока они не попадут в другой водоносный горизонт или другой водоем, например, в озеро, реку, океан, или пока они не будут извлечены из колодца.

Проницаемые и непроницаемые геологические образования (USGS, 2001)

Чтобы иметь возможность накапливать и отдавать грунтовые воды, водоносный горизонт должен иметь определенные физические характеристики. В нем должно быть пустое пространство (поры или трещины), где могут храниться грунтовые воды, и места должны быть соединены, чтобы позволить им протекать. С технической точки зрения, когда есть пространства и они взаимосвязаны, геологическая формация проницаема.Когда нет пространств или они не соединены между собой, геологическая формация непроницаема. Чем выше пористость и проницаемость водоносного горизонта, тем больше грунтовых вод накапливается и выводится водоносным горизонтом.

Почему грунтовые воды так важны?

Подземные воды составляют около 30% пресной воды в мире. Из остальных 70% почти 69% улавливаются ледяными шапками и горными снегами / ледниками, и только 1% находится в реках и озерах. Подземные воды составляют в среднем одну треть пресной воды, потребляемой людьми, но в некоторых частях мира этот процент может достигать 100%.На иллюстрации ниже представлен обзор распределения воды на Земле.

Распределение водных ресурсов Земли (Шикломанов, 1993)

Подземные воды — очень важный природный ресурс и играют важную роль в экономике. Это основной источник воды для орошения и пищевой промышленности. В целом грунтовые воды являются надежным источником воды для сельского хозяйства и могут использоваться гибко: когда они сухие и есть большие потребности, можно извлечь больше грунтовых вод, а когда выпадение дождя удовлетворит потребности, потребуется меньше грунтовых вод. .В глобальном масштабе на орошение приходится более 70% общего забора воды (как поверхностных, так и подземных). Подземные воды, по оценкам, используются примерно для 43% от общего объема водопотребления для орошения.

Для окружающей среды грунтовые воды играют очень важную роль в поддержании уровня воды и впадают в реки, озера и водно-болотные угодья. Особенно в более засушливые месяцы, когда прямая подпитка от дождя незначительна, он обеспечивает среду потоком грунтовых вод через дно этих водоемов и становится важным для дикой жизни и растений, обитающих в этой среде.Подземные воды также играют очень важную роль в обеспечении судоходства по внутренним водам в более засушливые сезоны. Сбрасывая грунтовые воды в реки, он помогает поддерживать более высокий уровень воды.

Подземные воды встречаются почти повсюду, и их качество обычно очень хорошее. Тот факт, что грунтовые воды хранятся в слоях под поверхностью, а иногда и на очень больших глубинах, помогает защитить их от загрязнения и сохранить их качество. Кроме того, грунтовые воды — это природный ресурс, который часто можно найти рядом с конечными потребителями, поэтому они не требуют больших вложений в инфраструктуру и очистку, как это часто бывает при сборе поверхностных вод.Самое важное при использовании подземных вод — это найти правильный баланс между забором и восстановлением уровня водоносного горизонта, чтобы избежать чрезмерной эксплуатации и загрязнения этого важнейшего ресурса.

Источники

Подземные воды: определение и сохранение — видео и стенограмма урока

Основные сведения о подземных водах

Подземные воды образуются, когда вода с поверхности просачивается в землю. Этот процесс называется перезарядка . Вода может перемещаться под землей через скалу и почву благодаря соединенным поровым пространствам .Эти поровые пространства могут быть крошечными пространствами внутри частиц в скале или почве, трещинами в коренных породах или растворенными полостями в известняке, такими как пещеры.

Распространенное заблуждение относительно подземных вод состоит в том, что они существуют в виде большого резервуара или озера под землей. Вместо этого грунтовые воды заполняют небольшие пространства, оставшиеся в скале и почве, составляющие подповерхностный слой, подобно тому, как вода заполняет пространства в губке.

Во время подпитки вода втягивается в землю под действием силы тяжести через две зоны.Верхняя зона, называемая зоной аэрации , — это место, где смесь воды и воздуха заполняет поровые пространства. Ниже зоны аэрации находится зона насыщения , где поровые пространства полностью заполнены водой. Верхняя граница зоны насыщения известна как уровень грунтовых вод .

Область, насыщенная водой, называется водоносным горизонтом . Безграничный водоносный горизонт — это место, где водоносный горизонт соединен с поверхностью через поровые пространства.Ограниченный водоносный горизонт — это водоносный горизонт, ограниченный двумя непроницаемыми породами. Доступ к закрытым водоносным горизонтам возможен только через колодец или там, где водоносный горизонт встречается с поверхностью.

Подземные воды движутся через землю очень медленно. В то время как реки могут течь со скоростью несколько километров в час, грунтовые воды могут двигаться медленнее, чем метр в год. Это означает, что для пополнения подземных водоносных горизонтов может потребоваться несколько тысяч лет.

Движение и сброс грунтовых вод

В то время как вода на поверхности земли движется под действием силы тяжести, грунтовые воды перемещаются из областей высокого давления, где уровень грунтовых вод высокий, в области низкого давления, где уровень грунтовых вод низкий.Течение часто следует за уклоном уровня грунтовых вод, который обычно имитирует топографию вышележащей земли. Вода естественным образом выводится из системы грунтовых вод в местах, где уровень грунтовых вод пересекает поверхность земли в озерах, реках и болотах.

Подземные воды можно также искусственно забирать из скважин. В колодцах выкапываются ямы в зону насыщения, и вода заполняет колодец до уровня грунтовых вод. Если вода откачивается из скважины, образуется конус депрессии , когда вода вытягивается из водоносного горизонта и уровень грунтовых вод падает.

Опасности для подземных вод

Подземные воды могут подвергаться негативным изменениям в результате деятельности человека в результате загрязнения и чрезмерной откачки грунтовых вод. Во время подпитки вода может собирать загрязнители, которые находятся на поверхности или в почве. Вода будет переносить эти загрязнители в водоносные горизонты, вызывая загрязнение всего водоносного горизонта. Поскольку для подпитки могут потребоваться тысячи лет, водоносные горизонты будут продолжать загрязняться в течение чрезвычайно долгих периодов времени. Закрытые водоносные горизонты особенно подвержены риску загрязнения загрязняющими веществами из-за их замкнутого характера.

Другой проблемой сохранения подземных вод является искусственный отбор грунтовых вод больше, чем восполняется. Этот процесс называется овердрафтом . Хотя перерасход в короткие сроки не опасен, если он будет продолжаться в течение длительного времени, грунтовые воды серьезно истощатся. Чрезмерный овердрафтинг может даже привести к оседанию поверхности , когда поверхность земли начинает опускаться из-за уплотнения после отвода грунтовых вод.

Резюме урока

Примерно 20% всей воды, используемой в США, составляет подземные воды .Некоторые общины в США полностью зависят от грунтовых вод для водоснабжения дома и сельского хозяйства. Подземные воды образуются, когда вода с поверхности просачивается в землю в подземные водоносные горизонты . Подземные воды питают ручьи, озера и реки. Угрозы для нашей земли и наших грунтовых вод включают оседание , овердрафтинг и загрязнение .

Как общество, мы очень заботимся о том, чтобы наши грунтовые воды оставались чистыми и чтобы мы не использовали их больше, чем в настоящее время пополняется.Таким образом, мы должны найти более эффективные способы экономии воды и предотвращения попадания загрязняющих веществ в наши водоносные горизонты.

Происхождение и количество подземных вод на Земле

Происхождение

Большая часть подземных вод образуется в виде метеорных вод в результате атмосферных осадков в виде дождя или снега. Если она не теряется в результате испарения, транспирации или сточных вод, вода из этих источников может просачиваться в землю. Первоначальное количество воды от осадков на сухой почве удерживается очень плотно в виде пленки на поверхности и в микропорах частиц почвы в ленте почвенной смеси.На промежуточных уровнях пленки воды покрывают твердые частицы, но воздух все еще присутствует в пустотах почвы. Эта область называется ненасыщенной зоной или зоной аэрации, а присутствующая вода — это водянистая вода. На более низких глубинах и при наличии достаточного количества воды все пустоты заполняются для создания зоны насыщения, верхним уровнем которой является уровень грунтовых вод. Вода, находящаяся в зоне насыщения, называется подземной водой [3].

Пористость и структура грунта определяют тип водоносного горизонта и подземную циркуляцию.подземные воды могут циркулировать и накапливаться во всем геологическом пласте: это имеет место в пористых почвах, таких как песок, песчаник и аллювий. Он может циркулировать и накапливаться в трещинах или разломах в плотных породах, которые сами по себе не проницаемы, как большинство вулканических и метаморфических пород. Вода просачивается сквозь скалы и циркулирует из-за локализованных и рассредоточенных трещин. Для известняка типичны плотные породы крупных трещин или каверн.

Количество на Земле

На Земле примерно 3% всей воды составляет пресная вода.Из них подземные воды составляют 95%, поверхностные воды 3,5% и влажность почвы 1,5%. Из всей пресной воды на Земле только 0,36% доступно для использования ( Леопольд, 1974, ).
Подземные воды — важный источник водоснабжения. 53% населения США получает воду из подземных источников. Подземные воды также являются основным источником промышленного и сельскохозяйственного использования.

Мы забираем воду из подземных водоносных горизонтов быстрее, чтобы ее можно было пополнить.Несмотря на свои огромные размеры, водоносные горизонты мира не бездонны, и во многих районах уровень воды быстро опускается. Вода в некоторых водоносных горизонтах насчитывает тысячелетия и находится ниже того, что сейчас является одним из самых засушливых регионов на Земле. Хотя люди топили воду из источников и колодцев с самых ранних цивилизаций, за последние 50 лет растущее население нуждалось в большем количестве пищи и воды, и темпы изъятия резко возросли.
В некоторых прибрежных районах из водоносных горизонтов было забрано столько пресной воды, что соленая вода начала вторгаться, делая воду из колодца солоноватой и непригодной для использования.Для получения дополнительной информации посетите нашу веб-страницу вторжений морской воды.
В некоторых районах опорожнение водоносных горизонтов вызвало серьезное проседание или значительное снижение уровня грунтовых вод . Некоторые поразительные случаи перечислены здесь [13]:

США:
Сан-Иоахим-Вэлли, Калифорния — 10 метров
Феникс, Аризона — более 1 метра
Хьюстон — Галвестон, Техас — 1 метр
Милуоки — уровень грунтовых вод упал 114 метров к 1976 году
Чикаго, штат Иллинойс — уровень грунтовых вод упал на 274 метра к 1979 году.С тех пор частично восстановлено из-за снижения добычи.
Водоносный горизонт Огаллала — некоторые скважины закончились в Оклахоме, Канзасе и Техасе, где уровень грунтовых вод упал на 30 метров

Мексика:
Мехико — центр города опустился на 7,5 метров с 1950 г.
Сьюдад-Хуарес / Эль-Пасо (граница США) — ожидается, что водоносный горизонт, поддерживающий 1,5 миллиона человек, будет истощен в течение 30 лет

Ливия:
Ливия добывает 1 миллиард кубометров воды в год из ниже Сахары и по трубопроводу к ее фермам и городам на севере

Ливан:
разработка водоносного горизонта под Триполи приводит к ежегодному дефициту в 3 раза.8 миллионов кубических метров

Йемен:
Уровень грунтовых вод снижается примерно на 2 метра в год. Колодцы безуспешно выкопаны глубиной 2 км

Белуджистан, Пакистан:
Уровень грунтовых вод падает на 3,5 метра в год

Пенджаб, Индия и Пакистан:
Уровень грунтовых вод падает на 1 метр в год

Равнина Северного Китая:
уровень грунтовых вод падает на 3 метра в год

Подземные воды также подвержены влиянию гидротехники: на протяжении десятилетий и столетий из-за неправильного сброса отходов в окружающую среду и подземные области многие подземные воды были загрязнены.Усилия по защите качества и количества грунтовых вод были предприняты в сотрудничестве между всеми правительственными учреждениями, промышленными организациями и исследователями. [4]

Здесь вы найдете карту распределения подземных вод на Земле [11].

Щелкните здесь, чтобы ознакомиться с определениями грунтовых вод, узнать больше о их свойствах, источниках в Европе или проблеме их загрязнения.
Для получения дополнительной информации о глобальном распределении воды на Земле ознакомьтесь с нашим FAQ по количеству воды .

Фонд подземных вод: получение информации: основы: что такое подземные воды

Что такое грунтовые воды?

Подземные воды используются для питья более чем 50 процентами населения США, включая почти всех, кто живет в сельской местности. В основном грунтовые воды используются для орошения сельскохозяйственных культур.

Область, где вода заполняет водоносный горизонт, называется зоной насыщения (или зоной насыщения).Вершина этой зоны называется водным зеркалом. Уровень грунтовых вод может располагаться всего на фут ниже поверхности земли или на сотни футов ниже.

Водоносные горизонты обычно состоят из гравия, песка, песчаника или трещиноватой породы, такой как известняк. Вода может проходить через эти материалы, потому что они имеют большие соединенные пространства, которые делают их проницаемыми. Скорость, с которой течет грунтовая вода, зависит от размера пространств в почве или скале и от того, насколько хорошо эти пространства связаны между собой.

Подземные воды можно найти почти везде. Уровень грунтовых вод может быть глубоким или мелким; и может повышаться или понижаться в зависимости от многих факторов. Сильные дожди или тающий снег могут вызвать подъем уровня грунтовых вод, а сильная откачка грунтовых вод может вызвать падение уровня грунтовых вод.

Запасы подземных вод пополняются, или пополняются , за счет дождя и таяния снега, которые просачиваются в трещины и щели под поверхностью земли. В некоторых регионах мира люди сталкиваются с серьезной нехваткой воды, потому что грунтовые воды используются быстрее, чем они пополняются естественным путем.В других районах подземные воды загрязнены деятельностью человека.

Вода в водоносных горизонтах естественным образом выводится на поверхность из источника или может сбрасываться в озера и ручьи. Подземные воды также можно добывать через скважину, пробуренную в водоносный горизонт. Колодец — это труба в земле, которая заполняется грунтовыми водами. Эту воду можно вывести на поверхность с помощью насоса. Неглубокие колодцы могут высохнуть, если уровень грунтовых вод опустится ниже дна колодца. Некоторые колодцы, называемые артезианскими колодцами, не нуждаются в насосе из-за естественного давления, которое заставляет воду подниматься и выходить из колодца.

В областях, где материал над водоносным горизонтом проницаем, загрязнители могут легко проникать в подземные воды. Подземные воды могут быть загрязнены свалками, септическими резервуарами, негерметичными подземными резервуарами для газа, а также чрезмерным использованием удобрений и пестицидов. Если грунтовые воды загрязняются, пить их будет небезопасно.

.