Воды зоны насыщения. Грунтовые воды

 

Зона насыщения характеризуется тем, то поры и пустоты в ее пределах полностью заполнены (насыщены) жидкой водой. Сверху эта зона ограничена зоной аэрации, а снизу - глубиной критических температур, при которых вода превращается в водяной пар. Зона находится на глубине 2-4 м от поверхности, иногда значительно глубже (десятки метров). В зоне насыщения формируются безнапорные грунтовые воды, напорные артезианские воды и глубинные воды. Формирование их происходит, когда влажность грунтов достигает полной влагоемкости.

1. Грунтовые воды - это безнапорные подземные воды первого (от поверхности) постоянно существующего водоносного слоя, залегающего на первом выдержанном по площади водоупорном пласте. Эти безнапорные гравитационные воды имеют свободную верхнюю поверхность, называемую уровнем (зеркалом) грунтовых вод. Грунтовые воды питаются путем инфильтрации осадков, фильтрации вод водотоков и водоемов и конденсации водяного пара. Они распространены почти повсеместно, тяготеют к рыхлым четвертичным отложениям, участвуют в питании поверхностных вод, легко доступны для практического использования, наиболее подвержены антропогенным загрязнениям.

2. Артезианские воды - это напорные подземные воды, залегающие в водоносных горизонтах между водоупорными пластами. Они залегают глубже грунтовых вод и имеют более стабильный режим. При вскрытии горизонта артезианских вод скважиной находящаяся под напором вода поднимается и может изливаться на поверхность. Напор создается гидростатическим давлением и геостатической нагрузкой. Примерами артезианских бассейнов синклинального типа являются Московский, Терско-Кумский, Сахарский континенталь-интерколер.

3. Глубинные воды - это напорные подземные воды, залегающие на больших глубинах осадочных толщ в крупных артезианских бассейнах, испытывающие воздействие геостатического давления и эндогенных сил. Изучены недостаточно.

4. Воды многолетнемерзлых грунтов. В районах многолетней мерзлоты грунтовым водам соответствуют воды надмерзлотных таликов и межмерзлотные (между слоями мерзлотного грунта) безнапорные воды. Аналогами артезианских вод могут быть межмерзлотные и подмерзлотные воды (глубже мерзлотного грунта).

Движение подземных вод

 

Движение подземных вод происходит под влиянием силы тяжести, капиллярных сил и гидростатического давления. Движение в зоне аэрации выражается просачиванием и инфильтрацией, а в зоне насыщения - фильтрацией.

1. Просачивание - это движение воды в грунте вертикально вниз в виде изолированных струек по капиллярным порам и канальцам. При этом пористое пространство не насыщено водой и в нем сохраняется движение атмосферного воздуха, что исключает влияние гидростатического давления в зоне аэрации.

2. Инфильтрация - это движение воды сплошным потоком с полным заполнением пор водой под действием сил тяжести, капиллярных сил и гидростатического давления в зоне аэрации, где может образовываться таким путем верховодка.

3. Фильтрация - это движение свободной (гравитационной) воды по порам и трещинам под действием силы тяжести и гидростатического давления в сторону уклона поверхности водоносного горизонта или в сторону уменьшения напора артезианских вод.

Движение в мелкопористых грунтах имеет ламинарный режим и подчиняется закону фильтрации Дарси, выражаемому формулой

Vф = КфI

где Vф - скорость фильтрации (м/сутки, см/с), Кф - коэффициент фильтрации, характеризующий водопроницаемость грунтов, зависящей от количества и размеров пор. Его значения различны для разных грунтов:

галечник - 100-200 м/сутки

песок - 1-50 м/сутки

суглинок - 0,05-0,1 м/сутки

глина - менее 0,001 м/сутки

I - гидравлический уклон или напорный градиент, равный уклону поверхности уровня грунтовых безнапорных вод, вычисляется по формуле

I = h/l = (h₁-h₂)/l

где h - напор, h₁, h₂- высота уровней в точках 1 и 2, 1 - длина пути фильтрационного потока.

Скорость фильтрации Vф можно определить по формуле

Vф = Qф/Wn

где Qф - расход фильтрационного потока, то есть количество воды (в м³/c), протекающей в единицу времени через данное сечение породы; Wn - площадь (м²) поперечного сечения породы (пористой среды).

Определение скорости и направления движения подземных вод производится непосредственно в поле путем введения в опытную (пусковую) скважину индикатора - раствора солей или красителя флюоресцеина (зеленый) и установлением их появления в наблюдательных скважинах по окружности.

Скважина, в которой краситель появится раньше, будет указывать направление потока. Скорость движения воды определяют по формуле:

Vn = l /Т

где 1 - расстояние в м от пусковой скважины до наблюдательной, Т - время от введения красителя до его появления.

Эти методы широко применяются также при изучении подземных карстовых вод. Так крымские карстологи Дублянский В.Н. и Вахрушев Б.А. определили, что карстовые подземные водотоки Крыма имеют среднюю скорость 430 м/сут.

 

Режим подземных вод

 

Режим подземных вод - это закономерные пространственно-временные изменения ресурсов и характеристик подземных вод, включая изменения уровня, температуры, химического состава и минерализации.

На режим влияют климатические и гидрологические факторы, а также геолого-геоморфологические условия и водно-физические свойства грунтов. Наибольшие изменения элементов режима происходит в зоне аэрации. Наиболее динамичными являются грунтовые воды, где проявляются многолетние, сезонные и суточные колебания. Эти колебания отражают изменения запасов воды в водоносном слое и зависят от условий питания и расходования подземных вод, то есть, связаны с атмосферными осадками, испарением, стоком и водоотдачей грунтов.

Типы режима грунтовых вод: уровненный, термический, химический

Выделяется 3 типа уровненного режима грунтовых вод, характерных для разных климатических зон и провинций.

1. Мерзлотный тип кратковременного летнего питания, относящийся к зонам многолетнемерзлых грунтов с суровым холодным климатом. Максимальный уровень грунтовых вод связан с талым питанием и приходится на июнь - июль.

2. Режим сезонного питания, преимущественно весенне-осеннего, характерен для зон континентального климата с холодной зимой, когда промерзает зона аэрации. Максимальный уровень связан с талыми водами весной и дождевыми - в летне-осеннее время. Минимальный уровень наблюдается в предвесеннее время.

3. Режим круглогодичного питания, преимущественно зимне-весеннего - весеннего, относится к южным и западным районам Европы. При этом режиме максимальные уровни вод наблюдаются в феврале-апреле, а минимальные - в июле-августе.

Термический режим грунтовых вод зависит от температуры воздуха и инфильтрующихся вод. С глубиной многолетние и сезонные колебания температур воды быстро затухают. Положение водоносного горизонта с постоянной температурой наиболее высоко (первые м) в тропических странах, наиболее глубоко (до 41 м) в условиях резко континентального климата. На очень больших глубинах температура увеличивается в соответствии с геотермическим градиентом.

В зонах мерзлотного режима грунтовых вод зимой воды замерзают, а летом - редко достигают +10°С. В зонах сезонного питания, колебания температур грунтовых вод колеблются от 2°С до 12°С, а в зонах круглогодичного питания теплых стран - от 10 до 25°С (в жарких странах - до 36°С).

Гидрохимический режим грунтовых вод - это изменение их минерализации и химического состава в связи с разбавлением грунтовых вод пресными дождевыми и талыми водами и интенсивностью испарения воды. В зонах мерзлотного режима минимальная минерализация составляет 5-30 мг/л в весенне-летнее время, а максимальная до 1 г/л - в предвесеннее время. Характерные ионы НСО₃^- и Са²⁺.

В зонах сезонного и круглогодичного питания, в условиях умеренного увлажнения минерализация изменяется: от 10 до 400 мг/л - в северных провинциях Европы и от 20 до 1500 мг/л - в средней полосе Европы. Преобладают ионы НСО₃ и Са²⁺.

В засушливых зонах, где испарение преобладает над питанием, происходит засоление вод с минерализацией от 0,1 до 11 г/л, преобладают ионы SO₄^2- (сульфатные), Nа⁺ и С1^- (хлоридные).