Классификация подземных вод по условиям залегания

География

§ 41. Подземные воды

Вспомните

Что происходит с водой, выпавшей на землю с дождем? Через какие горные породы вода просачивается быстрее — пески или глины? Что такое родники (ключи)? Почему в роднике вода холодная даже летом?

Как образуются подземные воды. Вода в земной коре находится в трех состояниях: жидком, газообразном и твердом. Вода и водяной пар заполняют промежутки между частицами горных пород.

Вода в твердом состоянии — это кристаллики и прослойки льда в промерзших породах.

Подземные воды — это воды, находящиеся в горных породах земной коры.

Подземных вод намного больше, чем поверхностных вод суши — рек, озер, болот. Они возникают за счет просачивания в глубь земли атмосферных осадков. Важнейшее условие образования подземных вод — способность горных пород пропускать воду. Различают водопроницаемые и водонепроницаемые (водоупорные) породы (рис. 142).

Рис. 142. Водопроницаемость горных пород

Горные породы, которые пропускают воду, называются водопроницаемыми. Это рыхлые пористые (песок, галька, гравий) или твердые, но трещиноватые породы (известняк, песчаник, сланец). Чем крупнее частицы и поры, тем лучше водопроницаемость. Горные породы, не пропускающие воду, — водонепроницаемые, или водоупорные. Это глины или любые нерастрескавшиеся твердые породы.

Вода с поверхности просачивается через водопроницаемые породы до тех пор, пока не встречает на своем пути водоупорные слои. Здесь она задерживается, постепенно заполняя поры или трещины водопроницаемых пород. Пласты, насыщенные водой, образуют водоносные слои (рис. 143). Вода в них течет вниз по наклоненной поверхности водоупорного слоя.

Какими бывают подземные воды. Из-за чередования пород с разной водопроницаемостью в земной коре на разной глубине может быть несколько водоносных слоев. Рыхлые и пористые породы сменяются водоупорными, затем снова водопроницаемыми и вновь водоупорными. В зависимости от положения водоносных слоев различают грунтовые и межпластовые подземные воды (см. рис. 143).

Рис. 143. Подземные воды

Воды верхнего водоносного горизонта, расположенного на первом водоупорном слое, называются грунтовыми. Межпластовые воды располагаются между двумя водоупорными слоями. Сюда вода с поверхности попадает только через те места, где водоносные слои выходят на поверхность.

Глубина и толщина слоя грунтовых вод зависят от геологического строения территории, рельефа и климата. На равнинах с холодным и влажным климатом грунтовые воды могут подходить к самой поверхности, способствуя образованию болот. Если климат жаркий и сухой, грунтовые воды располагаются на большой глубине. Глубина слоя грунтовых вод может меняться по сезонам года. В России весной грунтовые воды располагаются ближе к поверхности, а летом — дальше от нее.

В пористых породах недр величайшей пустыни мира Сахары имеются огромные запасы подземных пресных вод. Их так много, что они могут обеспечить потребности всех стран, расположенных на территории пустыни. Однако эти воды залегают на глубине 150—200 м от поверхности.

Грунтовые воды часто выходят на поверхность, образуя источники (родники, ключи) в понижениях рельефа: речных долинах, оврагах. Межпластовые воды добывают с помощью специально пробуренных скважин. Иногда вода бьет через скважину фонтаном. Такие воды называют артезианскими (рис. 144).

Рис. 144. Артезианские воды

Артезианские воды образуются в вогнутых слоях горных пород. Вода оказывается здесь под большим давлением, поэтому она фонтанирует при вскрытии скважины.

Не все подземные воды пресные. Некоторые из них содержат много растворенных веществ и газов. Такие воды называют минеральными. На больших глубинах в толще земной коры возрастает температура. Поэтому здесь подземные воды становятся теплыми и даже горячими.

Если толщи земной коры сложены легко растворимыми породами (известняками, гипсом, солями), то подземные воды вымывают в них многочисленные пустоты, полости, пещеры (рис. 145). Такое явление природы, а также формы рельефа на поверхности и в толщах горных пород называются карстом.

Рис. 145. Формы карста

Вода не просто создает карстовые пещеры. Она украшает их живописными каменными «скульптурами». Из капель, просачивающихся с потолка пещер, как сосульки, нарастают вниз сталактиты. Из капель, падающих на пол пещеры, снизу постепенно растут столбики — сталагмиты. Эти формы иногда срастаются друг с другом в единые колонны.

Вопросы и задания

1. Откуда вода попадает в толщу земной коры?
2. Назовите виды подземных вод.
3. Что такое источник? Где он образуется?
4. Где образуются карстовые пещеры?

Что это такое?

Для грунтовых вод характерно соседство с почвенным покровом земли и первым водоупорным слоем. Результат неглубокого расположения – существенные скачки уровня в зависимости от сезона.

Наблюдается как понижение/повышение объема вод при разном количестве осадков, так и промерзание в зимний период.

Межпластовые воды заполняют нижележащие водные горизонты, заполняя пространство между соседними водонепроницаемыми породами. Верхнюю определяют термином «кровля», нижнюю – «ниша». Благодаря глубинному расположению можно констатировать постоянство уровня межпластовых водных ресурсов.

Лицензия

Лицензия на пользование подземными водными ресурсами может потребоваться не только юридическому, но и физическому лицу. Она дает право на бурение новых источников и их использование.

Физическим лицам такой документ может потребоваться только в случае нахождения на их участке артезианской скважины или при гигантском расходе воды свыше 100м3. Это практически нереальный показатель. Юридическим лицам лицензия требуется чаще.

Обойтись без нее можно в следующих случаях:

• земельный участок находится в собственности или в аренде у лица, которое не претендует на водопользование;
• запасы не находятся на государственном балансе;
• водоносный горизонт не используется для обеспечения центрального водоснабжения;
• суточный расход воды меньше 100м3;
• она не передается другим юридическим лицам.

Во всех остальных случаях требуется лицензия. Ее получение – долгий и дорогостоящий процесс, который занимает минимум 220 дней со всеми проводимыми исследованиями.

И это только в том случае, если ежедневное потребление ресурса составит не более 100 м3, в противном случае оформление документа займет значительно больше времени, поскольку будут проводиться обязательные исследования по гидрологии недр.

Все эти исследования должен будет оплачивать заказчик, а стоят они недешево.

Еще больше информации о лицензировании в нашей статье здесь.

Источники. Классификация источников

Источниками (родниками, ключами) называют выходы подземных вод на поверхность суши или дно водоёмов.

Источники разделяются на следующие разновидности (по классификации М.Е. Альтовского, с упрощениями).1. Постоянно действующие родники. Эти родники характеризуются непрерывной деятельностью в течение многих лет. По условиям питания подземными водами постоянно действующие родники могут быть нисходящими и восходящими. Нисходящие родники питаются безнапорными водами (грунтовыми и межпластовыми безнапорными водами). К нисходящим родникам относятся:

• экранированные родники — родники, образующиеся в результате перекрытия водоносного горизонта водоупорными породами или вследствие резкого уменьшения водопроницаемости водоносного горизонта;
• родники выклинивания, возникающие либо вследствие стратиграфического выклинивания питающего их водоносного горизонта, либо вследствие уменьшения его поперечного сечения;
• эрозионные родники, образующиеся в результате вскрытия водоносного горизонта долинами рек, оврагами, балками;
• карстовые родники.

Восходящие родники питаются напорными водами. Движение питающих их вод происходит снизу вверх под действием напорного градиента. К восходящим родникам относятся:

• эрозионно-напорные родники, возникающие вследствие эрозионного среза пластов с напорной водой;
• напорные родники, образующиеся главным образом в равниной местности в результате прорыва горизонтов артезианских вод в понижениях рельефа — долинах рек, оврагах, балках;
• напорно-газовые родники, образующиеся при прорыве напорных вод со значительным содержанием газов, способствующих подъёму воды снизу вверх;
• тектонически экранированные родники, образование которых связано с перекрытием напорного водоносного горизонта водоупорными породами вследствие разрыва и смещения блоков пород по разломам.  

2. Сезонно действующие родники. Такие родники связаны с водами зоны аэрации, имеют резкие колебания дебита вплоть до полного иссякания, химического состава и температуры воды.

3. Ритмически действующие родники (в том числе гейзеры).Гейзеры (от исландского «geysir», от «geysa» — хлынуть) – горячие источники, периодически выбрасывающие воду и пар. Распространены в областях современной или недавно прекратившейся вулканической деятельности, где происходит интенсивный приток эндогенного тепла.
Гейзеры имеют вид небольших усечённых конусов или чашеобразных углублений, связанных с трубообразными или щелеобразными каналами, подводящими воду.
Механизм действия гейзеров можно описать следующим образом. В подводящем трубкообразном канале, заполненном водой, происходит нагрев нижней части столба воды выше точки кипения. Но из-за давления вышерасположенной массы воды закипания не происходит, происходит её дальнейший разогрев. Наконец, температура повышается на столько, что в каком-то месте начинается кипение – образуются пузыри, поднимающиеся вверх по каналу и выталкивающие часть воды. Это приводит к резкому падению давления и, вследствие этого, мгновенному закипанию перегретой воды. Из канала выбрасывается пар и выталкиваемая им вода. Затем следует период покоя, соответствующий времени заполнения канала водой и её нагреву выше критической температуры. Заполнение канала происходит за счёт просачивания воды из боковых пород и, частично, за счёт выброшенной воды, попавшей после извержения обратно в канал.

4. Искусственные родники.

Литература

• Ланге O. K. Подземные воды СССР, ч. 1-2, М., 1959—1963;
• Гидрогеология СССР. — М., 1971;
• Савцова Т. М. Общее землеведение, М., 2005.
• Почвенные воды // Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона : в 86 т. (82 т. и 4 доп.). — СПб., 1890—1907.

Из БРЭ:

• Коноплянцев A. A., Cе­ме­нов C. M. Изу­че­ние, про­гноз и кар­ти­ро­ва­ние ре­жи­ма под­зем­ных вод. M., 1979.
• Клас­си­фикация экс­плуа­та­ци­он­ных за­па­сов и про­гноз­ных ре­сур­сов под­зем­ных вод. M., 1983.
• Гольд­берг В. М., Газ­да С. Гид­ро­гео­ло­ги­че­ские ос­но­вы ох­ра­ны под­зем­ных вод от за­гряз­не­ния. М., 1984.
• Бочевер Ф. М., Лапшин Н. Н., Орадовская А. Е. Защита под­зем­ных вод от за­гряз­не­ния. — М., Недра, 1979. — 254 c.

Сходства и отличия верховодки и грунтовых вод

Что такое верховодка, а что — грунтовые воды? Оба вида являются подземными водами, несмотря на это, имеют множество отличий:

Как самостоятельно найти на участке?

Наблюдая за флорой и фауной можно определить, насколько глубоко от поверхности находится уровень грунтовых жил:

1. Если на изучаемом участке растут лишь сосны и акации, то вода, либо слишком глубоко, либо ее очень мало.
2. На близкое расположение воды указывает растущие на поверхности береза, черемуха, крушина, ежевика, сныть, ели.

   Так вольготно произрастающая полынь свидетельствует о залегании водоносного слоя не ниже 3-5 метров. Солодка хорошо растет над грунтовой жилой, расположенной на глубине от 1,5 до 5-ти метров.

3. Отсутствие рыжих муравьев и мышиных нор на участке говорит об очень влажной почве и близком соседстве с водой. Это значит, что в этом месте можно смело рыть колодец.
4. Зимой над близкой водой будут образовываться наледи и проталины.
5. Если деревья растут, наклонившись все в одну сторону, значит рядом грунтовая вода.

Внимание! Артезианские межпластовые воды обнаружить самостоятельно не получится. С такой задачей под силу справиться только профессионалам.

Народные способы

Народные методы могут подсказать, где именно лучше рыть колодец. Но это относится только к обнаружению грунтовых вод, так как они расположены близко от поверхности.

Реализация способов:

• Несколько сухих стеклянных банок наполняют просушенной солью или силикагелем, обматывают тканью, взвешивают и помещают в разных концах исследуемого участка. Через 24 часа банки извлекают и вновь взвешивают. Самая увесистая из них укажет на место с близкой водой.
• В вечернее время в разных углах участка закопать глиняные без глазури горшки горлышком вниз. Наутро по горшку, где большее количество конденсата, можно узнать о неглубоко расположенной воде.

Справка! Такие способы можно использовать лишь при сухой погоде, простоявшей несколько дней.

При помощи приборов и инструментов

Для более точного поиска подземных вод придумано множество инструментов и приборов, которые с успехом используются.

1. Датчик определения подводных вод. Его работа основана на сравнении электрического поля различных подземных пород и воды. Производители обещают, что этот инструмент способен работать даже в условиях сильных электрических помех, не теряя точности.
2. Георадар – принцип работы основан на исследовании импульсов электромагнитных волн. Такое обследование относят к группе радиоволновых методов. Если нужен недорогой георадар, то лучше всего приобрести георадар-моноблок, который компактен и его можно подключить непосредственно к компьютеру.
3. Барометр. Измеряется давление у близлежащего природного водоема, затем в месте предполагаемой скважины.

Важно! Показание барометра 0,1 мм ртутного столбика равно разнице в перепаде давления в 1 метр.

Пример: у водоема барометр показал 544,2, а на участке 544,7. Разница между ними составила 0,5. Значит, вода будет находиться на глубине 5 метров.

По перепаду высот

Выше описывался поиск воды при помощи барометра. Алгоритм действий аналогичный. Помимо природного водоема можно использовать для сравнения замеры возле близлежащего колодца. Давление будет падать на 1 мм каждые 13 метров изменения высот.

Пример: разница в замерах у соседского колодца и в предполагаемом месте скважины на участке составила 0,5 мм. Значит, водоносный пласт находится ниже поверхности участка на 6,5 метров.

При помощи кадастра и архивов

Данные о водных запасах на участке возможно найти в государственном водном кадастре, куда «стекаются» все сведения, как об естественных выходах подземных вод, так и обо всех скважинах и обнаружении подземных вод в процессе горных выработок и строительства.

Сейчас сведения можно получить и из государственного водного реестра.

Информация о подземных водах и глубине залегания хранится в архивах Территориальных фондов геологической информации.

Здесь можно посетить читальный зал, запросив каталог с перечнем интересующих данных. Потребуется паспорт и написание заявления.

Загрязнение

Загрязнение подземных вод – это необратимый процесс изменения состава в результате попадания в него посторонних опасных элементов, в результате которого ее качество становится хуже.

Виды деятельности человека, вызывающие загрязнение:

• бытовая;
• сельскохозяйственная;
• добыча и переработка нефтепродуктов;
• химическая;
• энергетическая;
• производство бумаги и сопутствующих материалов;
• организация свалок;
• неправильная организация хранения химических отходов.

Для защиты от загрязнения предпринимают следующие действия:

• в производство вводятся новые технологии, разработанные с целью минимального выхода опасных веществ в окружающую среду;
• появляются современные методы очистки промышленных стоков;
• повторное использование стоков там, где это возможно.

Химическая промышленность постепенно переходит на воздушное охлаждение, в результате чего количество потребляемой, а, значит, и загрязненной воды уменьшается более чем на 70%.

Фундаменты и вода

При строительстве нужно учитывать как УГВ, так и состав воды и грунта. Наиболее важными параметрами, влияющими на тип конструкции фундамента и применяемые материалы, являются соотношение УГВ и глубины промерзания, а также химические свойства воды.

Определение глубины залегания

Многим людям, проживающим в средней полосе России, знакомо такое явление, как морозное пучение грунтов. Оно вызвано замерзанием влаги в порах и капиллярах суглинков и супесей. Песок и скальные грунты к пучению не склонны. Силы морозного пучения способны разрушить неправильно заложенный фундамент.

Если есть такие грунты на участке, следует определить два параметра: глубину промерзания в вашей местности и УГВ. Если грунтовые воды располагаются ниже глубины промерзания, подошва фундамента может находиться выше ее, насколько это позволяет несущая способность грунтов по отношению к весу вашего дома. При высоком УГВ существует несколько решений:

1. Подошву фундамента можно расположить на 20 см ниже глубины промерзания. Такое решение применимо для тяжелых зданий, что связано с большей несущей способностью нижележащих слоев.
2. Можно понизить уровень воды, сделав дренаж участка и водоотведение в ливневую канализацию. Эта мера хорошо себя зарекомендовала там, где такая канализация есть или ее легко соорудить.
3. Повысить уровень участка при помощи щебня и песка так, чтобы УГВ оказался ниже уровня промерзания. Вынужденная и дорогостоящая мера, но безальтернативная там, где участок находится в низине.
4. Провести утепление грунта около дома при помощи теплоизоляционных плит, а недостаточную несущую способность компенсировать шириной подошвы, вплоть до залива единой монолитной подушки.

Бетон для агрессивных сред

Полной защиты от химической агрессии пока не придумали, иначе все железобетонные конструкции стояли бы вечно. Но некоторые мероприятия помогут продлить срок службы вашего подземного сооружения. Они призваны защитить конструкцию от проникновения влаги и снизить негативное воздействие последней, если она все-таки просочилась внутрь.

Уделяйте внимание плотности бетона. Важен не только правильный замес, но и вибрация

Уложенный бетон не должен иметь пор и трещин.
Не используйте известняковый щебень, если вы обладатель кислых грунтов. Замешивайте бетон на гранитном, он хоть и дороже, но влиянию кислоты подвержен куда меньше.
Хорошая гидроизоляция фундамента — залог его долгой службы. Тщательно изолированные стены фундамента не намокают. Гидроизоляционные мероприятия лучше начинать с основания в виде стяжки, которое следует обработать битумной мастикой. Так вы добьетесь большей герметичности.
Если вам не повезло, и ваш участок «богат» солями серной кислоты — сульфатами, для вас есть решение. Оно заключается в цементе. В настоящее время выпускается четыре разновидности сульфатостойкого цемента. В нем сведено к минимуму содержание железа и алюминия, поэтому бетоны на таких цементах не разрушаются даже в морской воде. Стоимость его от 300 рублей за мешок, что не сильно дороже обычного портландцемента.

Если же вы хотите дом с подвалом, попробуйте все-таки избавиться от излишка ГВ на участке. Как бы тщательно вы ни оберегали ваш фундамент, поверьте, вода дырку найдет.

Схема образования

Реки и озера в недрах земли образуются благодаря способности осадочных пород пропускать и фильтровать поступающую в них воду.

Горные пласты, хорошо пропускающие сквозь себя воду, называются водопроницаемыми. Они состоят из:

• песка,
• гравия,
• щебня,
• песчаника в различных сочетаниях.

Водоупорные породы состоят из гранита и других плотных минералов, на этих пластах происходит основное скопление воды. Их пропускная способность крайне низкая, но влага способна пробить себе дорогу дальше через микротрещины и поры.

Для характеристики подземных вод важно учитывать уровень, на котором они залегают. По глубине расположения они подразделяются на:

• почвенные
• верховодка;
• грунтовые;
• межпластовые (артезианские).

Почвенные воды – сезонное явление, проникают на небольшую глубину, питаясь атмосферными осадками. Они испаряются под солнечными лучами, впитываются растениями. Вглубь переходят только при обильных поступлениях влаги.

Верховодка образуется на уплотненных глинистых и суглинистых почвах. После продолжительных дождей или бурного таяния снега глина разбухает и препятствует дальнейшему проникновению осадков. Глубина залегания – 1-2,5 м.

Из-за несоответствия санитарным нормам верховодку не рекомендуют использовать для приготовления пищи.

Основные запасы подземных вод располагаются на двух водоносных горизонтах. Первый постоянный слой образуют грунтовые воды, которые полностью насыщают собой пространство между песчинками, галькой.

Наполненность горизонта меняется от количества выпавших осадков и активности человеческой деятельности.

Следующий водоносный горизонт заключен между пластами водоупорных пород. Подпитку получает от грунтовых вод, нашедших путь сквозь трещины гранита, базальта.

Глубоко расположенные воды второго горизонта (до 1000 м) находятся под большим давлением, вырываются на поверхность фонтаном, с сильным напором.

При бурении промышленных скважин давление падает, иногда наблюдается незначительное снижение запасов бассейна.

Варианты отвода поверхностных и грунтовых вод

Способ, проиллюстрированный на рисунке а, является самым эффективным для отвода талых, ливневых, паводковых и грунтовых вод за счет естественного уклона к ОДС и обустройства дренажной трубы на участке.

Вариант, представленный на рисунке б, ис пользуется в местах, где невозможно организовать открытую ОДС. Все талые, паводковые и ливневые воды сначала просачиваются в грунт, а затем вместе с грунтовыми водами под участком выводятся по дренам в точку сброса, в качестве которой могут служить дренажные или канализационные трубы больших размеров.

В случаях, когда невозможно обеспечить сброс воды в общую дренажную систему, непосредственно на участке обустраивают дренажный колодец (рис. в). При правильной установке и планировке поверхности надела колодец способен обеспечить быстрое осушение почвы от поверхностных ливневых, паводковых и талых вод, а также эффективный сбор грунтовых вод. Единственный недостаток этого способа — выделение отдельной площади под его организацию. Тем не менее такой вариант предпочитают многие застройщики, так как подобный водоем может служить источником воды для бытовых нужд: полива зеленых насаждений, мойки автомобиля, уборки территории и т. д. В изометрии обустройство дренажного колодца выглядит следующим образом:

После того как определена точка сброса вод, можно начинать разработку собственной дренажной системы на участке. Смысл ее заключается в установке водоотводящей дренажной трубы по самой низкой линии участка и в подводе к ней водосборных дренажных труб. На ровных участках, которые на практике встречаются довольно редко, основная водоотводящая дренажная труба устанавливается в любом удобном для хозяина месте по одной из предложенных схем:

• а — уклон в глубине участка;
• б — уклон с двух сторон участка;
• в — уклон с одной стороны участка

Следующий этап — подготовка и организация работ по устройству дренажной системы внутри участка. Сначала необходимо подобрать элементы водосбора и водоотвода. В их качестве могут выступать полиэтиленовые и пластиковые дренажные трубы заводского производства с прорезями на стенках, через которые вода будет просачиваться внутрь трубы. Не следует путать их с канализационными и водопроводными трубами, иначе придется проделывать отверстия для стока вручную, а это — вынужденная потеря денег, времени и сил.

Дренажную систему укладывают с уклоном 2–3° из отдельных дрен, выполненных из труб диаметром 100–150 мм, длиной до 20 м. Для этого выкапывают траншею с уклоном в сторону водосборника. Трубы засыпают сначала крупной щебенкой слоем не менее 20–30 см, затем извлеченным из траншеи грунтом. При уклоне дренажной сети в противоположную от улицы сторону в глубине участка сооружают водоем для сбора воды со сторонами 2 х 4 м и вертикальными стенками. Для укрепления грунтов по линии траншеи от осыпания и предотвращения смешивания разнородных фракций слоев засыпки используется геотекстиль. Геотекстиль — это однослойная или многослойная ткань (сеть) из стеклянных и полимерных волокон, нейтральных к воздействию агрессивной среды грунта, атмосферных осадков и перепадов температур.