Формування та класифікація підземних вод

Вода, що випаровується з поверхні океанів, морів, озер, боліт, річок і ґрунту, знову випадає у вигляді рідких або твердих опадів. З опадів, що випали на суші, частина стікає в річки і моря, інша частина, випаровуючись, знов потрапляє в атмосферу, а третя—просочується в гірські породи. Підземні води рухаються в товщах гірських порід, місцями виходять на поверхню, частково поповнюють річки, озера, болота і випаровуються з ґрунтів в атмосферу.

Таким чином, води гідросфери і земної кори безперервно здійснюють загальний кругообіг — випаровування, випадання на поверхню у вигляді атмосферних опадів, поверхневий і підземний стік, знов випаровування і т.д. Обмін води між океанами і морями, атмосферою і сушею називається великим кругообігом води в природі. Якщо вода, що випарувалася з поверхні моря, знову випадає в морі, це називається малим кругообігом. Обмін вод в межах суші — внутрішній кругообіг.

Основна маса підземних вод утворюється шляхом просочування (інфільтрації) атмосферних опадів (дощових і талих) в пори і тріщини гірських порід. У пустелях, горах, районах різко континентального клімату підземні води конденсуються з пари атмосферного повітря, що торкається з охолодженими скелями та кам'яними глибами і проникає в ґрунти. Це відбувається в тому випадку, якщо температура повітря вища за температуру скель, глиб, щебеня і ґрунту. Конденсаційна волога по тріщинах в скелях, по поверхні глиб і з ґрунту стікає в глибші і холодніші шари гірських порід. Крім того, волога поступає на поверхню землі у вигляді роси в теплому і інею в холодному сезоні. У менших кількостях вода поступає в гірські породи, просочуючись з русла річок, через дно боліт, озер і морів. Частина води віджимається в навколишні гірські породи з морських, лагунних, лиманових і озерних намулів. Деяка кількість води поступає в породи з пари, що виділяється з магми і лави.

У гірських породах вода присутня в різних фазах:

- пари води;

- вода у складі мінералів породи (кристалізація),
наприклад, в гіпсі (СаSО4*2Н2О), лимоніті (2Fе2О3*3Н2О) та інших мінералах;

- вода, що облямовує частинки породи шаром товщиною
в одну молекулу (гігроскопічна) або в декілька молекул
(плівкова). Кристалізаційна, гігроскопічна і плівкова вода настільки міцно пов'язані з породою, що можуть бути видалені з останньої тільки шляхом нагріву і випаровування;

- капілярна вода, що міститься в тонких порах і тріщинах породи і пересувається під дією сил поверхневого натягу (капілярних сил);

- вільна зкраплено-рідка вода, що заповнює пори і
тріщини в породі і пересувається під дією сили тяжіння (гравітаційна вода). Оскільки гірські породи відносно легко віддають капілярну і гравітаційну воду, під терміном «підземні води» переважно розуміють саме ці води, проте це
не зовсім точно;

- вода в твердому стані, що міститься в гірських породах, що мають від’ємну температуру (сезонно- або вічномерзлих), у вигляді окремих кристалів, жил, лінз і пластів льоду.

Вологість гірської породи— це вміст в ній води всіх видів, виражений у відсотках по відношенню до маси породи в заданому об'ємі, що не містить вологи. Вологість визначають по втраті маси при висушуванні породи до постійної маси при температурі +105° С.

Отже, утворення підземних вод пов'язане з наявністю у гірських породах пор і тріщин, здатністю пропускати, поглинати, притягати і віддавати воду. Ці властивості гірських порід називаються пористістю, тріщинуватістю, водопроникністю, вологоємністю, вологістю, капілярним підняттям, водовіддачею. Насамперед відзначимо, що не тріщинуваті щільні породи (граніти, габбро, кварцити та ін.) і породи з дуже дрібними порами (глини, аргіліти та ін.) практично не пропускають воду і тому називаються водотривкими. Проте, якщо ці породи тріщинуваті або мають агрегатну текстуру, вони будуть водопроникними. Зокрема, добре проникні глинисті ґрунти (чорноземи, сіроземи). Агрегатні (зерниста і грудкувата) текстури глин на поверхні землі формуються в результаті процесів вивітрювання і ґрунтоутворення.

 

 

Таблиця 1.4 – Схема класифікації підземних вод

 

Типи підземних вод		Співвідношення областей живлення і розповсюдження підземних вод	Розповсюдження підземних вод
за характером водовміщую-чого середо-вища	за наявніс-тю напору
Вода в порах гірських порід
Поверхневі	Безнапірні	Співпадають	Ґрунти, надмерз-лотні талики
Болотні			Торф, мул, сапро-пель, відклади моря
Верховодка			Покривні відклади (окрім грубоулам-кових) надмерзлотні шари
Ґрунтові		Переважно співпадають	Покривні відклади, разом з надмерзло-тними і грубоулам-ковими
Міжпластові		Не співпадають	Водопроникні по-роди між пластами водотривких порід
Артезіанські	Напірні	Те ж	Водопроникні по-роди між водотри-вкими пластами в складчастих струк-турах осадових по-рід. Міжмерзлотні талі і підмерзлотні шари
Вода в тріщинах і порожнинах щільних гірських порід
Карстові	Безнапірні	Розташовані близько	Розчинні породи, що карстуються
	Напірні	Не співпадають	Те ж, зокрема підмерзлотні
Тріщинні	Безнапірні	Переважно співпадають	Нерозчинні щільні породи
	Напірні	Не співпадають	Те ж, зокрема підмерзлотні
Жильні	Те ж	Те ж	Тектонічні розломи

 

Як вже було відмічено, унаслідок процесів вивітрювання стають тріщинуватими у верхній зоні і багато щільних скельних порід. Це полегшує інфільтрацію атмосферних опадів і конденсацію пари води в корі вивітрювання, сприяючи утворенню в ній підземних вод. Останні можуть стікати по нахилу покрівлі водотривких щільних не вивітрілих порід або порід, що слабо зачеплені вивітрюванням.

Територія, на якій води просочуються в гірські породи, називається областю живлення підземних вод. Площа, під якою вони залягають, називається областю розповсюдження підземних вод. Місцевість, де підземні води виходять на поверхню, називається областю дренажу або розвантаження. Поверхневі шари гірських порід, що не містять вільних капілярних і гравітаційних вод, називаються зоною аерації.

Ще при випаданні на поверхню землі у вигляді опадів вода захоплює кисень, вуглекислоту та інші гази з атмосфери. Просочуючись в землю, вона розчиняє мінеральні солі і органічні речовини, що містяться в ґрунтах і гірських породах. У поверхневих і підземних водах можуть жити мікроорганізми, що обумовлюють реакції окислення, відновлення, виділення газів та ін. Іноді підземні води збагачуються парами і газами, що поступають у водоносний пласт (горизонт) із застигаючої в довколишньому масиві магми (лави). При цьому утворюються мінеральні води (Кисловодськ, Мацеста).

Підземні води поділяють за характером водовміщуючого середовища, наявністю або відсутністю напору, умовами залягання і живлення, режиму, розповсюдженням та хімічним складом. У табл. 18 приведена схема класифікації підземних вод, що враховує частину перерахованих ознак. При складанні схеми за основу прийнята класифікація підземних вод для інженерно-геологічних цілей.

 

Безнапірні підземні води

До безнапірних відносяться поверхневі ґрунтові, болотні, верхові, таликові ґрунтові та деякі тріщинні, карстові і міжпластові води верхніх шарів земної кори.

Болотяні води містяться в торфах, намулах і сапропелях. Поверхневі ґрунтові води утворюються при весняному сніготаненні, літньо-осінніх дощах в ґрунтах супіщаного, суглинного і глинистого складу; у суху пору року вони зникають. У районах надмірного зволоження, де кількість опадів перевищує річне випаровування (північні області європейської частини, Західний Сибір, Далекий Схід), ґрунтові води багаті органічними речовинами. У посушливих районах поверхневі ґрунтові води часто засолені.

Частина поверхневих ґрунтових і болотяних вод просочується в підстеляючі породи. В результаті на деякій, переважно невеликій від поверхні, глибині з'являються місцеві скупчення води, названі верховодкою. Верховодка поступово опускається, поповнюючи ґрунтові води, або ненадовго затримується на лінзах слабоводопроникних порід. У зоні вічної мерзлоти при відтаванні поверхні також, утворюються ґрунтові і маревні води, а в таликах — верховодка, тимчасовою покришкою для якої служить шар ґрунту, що ще не відтанув.

 

Рис. 1.13 - Схема залягання верховодки і ґрунтових вод

1—поверхневі ґрунтові води; 2—піщаний пласт; 3—водотривка лінза суглинку; 4—рівень верховодки; 5—ґрунтові води; 6—водотривкий глинистий пласт; 7—вихід ґрунтових вод на поверхню (джерело); 8—депресивна поверхня дзеркала ґрунтових вод

 

Ґрунтовими водами називаються підземні води з вільною поверхнею, що накопичуються на першому від поверхні землі шарі водотривких порід. Наявністю водотривкого шару ґрунтові води відрізняються від поверхневих ґрунтових вод і верховодки. Проте живляться вони також атмосферними, опадами і поглинають верховодку. Площі живлення і розповсюдження ґрунтових вод співпадають. У природних умовах ґрунтові води, на відміну від поверхневих ґрунтових і верховодки, існують тривалий час.

Частина водопроникного пласта, в порах якого містяться ґрунтові води, називається водоносним шаром або водоносним горизонтом. Поверхня ґрунтових вод називається їх дзеркалом. Водотривкий пласт, на якому залягають ці води, називається водотривким ложем горизонту. Відстань між поверхнею землі і дзеркалом ґрунтових вод називається глибиною залягання їх рівня. Відстань між дзеркалом і водотривким ложем називається товщиною водоносного горизонту.

Якщо поверхня дзеркала ґрунтових вод горизонтальна, говорять про їх басейн. При нахилі дзеркала утворюється потік ґрунтових вод. Поверхня дзеркала ґрунтових вод в дещо згладженому вигляді звичайно повторює поверхню земного рельєфу.

Стікаючи у бік ярів і річок, ґрунтові води виходять на поверхню у вигляді низхідних джерел. Поверхня потоку ґрунтових вод, що плавно знижується у бік виходу, носить назву депресійної поверхні. В період паводків річка може перекривати вихід ґрунтових вод і поповнювати водоносний горизонт. При цьому депресійна поверхня одержує протилежне падіння — від річки до борту долини. У місцях, де рівень ґрунтових вод постійно залягає глибше за річкові рівні, наприклад на деяких ділянках течії р. Сирдар’ї, річкові води постійно живлять ґрунтові.

Ґрунтові води рухаються в порах гірських порід, тобто як би в тонких каналах, і переборюють значне тертя об мінеральні частинки. Тому швидкість руху ґрунтових вод невелика (в середньому від 0,1 до 1 см/кс і рідко більше). У галечнику і гравії вона може досягати 2—10 см/кс. Тому вода, що просочується зверху під час сніготанення і дощів (яка поступає відносно коротким шляхом) значно поповнює об'єм (запас) ґрунтових вод. Рівень їх помітно підвищується. У сухі періоди і взимку поповнення з поверхні не відбувається, і рівень ґрунтових вод поступово падає, оскільки наявні запаси води витрачаються на стік й частково на випаровування. Рівень ґрунтових вод в річному циклі звичайно коливається від часток метра до 2—4 м, а в окремі роки ці коливання можуть бути і різкішими.

Над рівнем ґрунтових і взагалі ненапірних вод підіймаються капілярні води. Капілярна облямівка, або висота підйому вод, змінюється від декількох сантиметрів в пісках до 2 м в суглинках і навіть до 4 м в лесах.

Ґрунтові води містять різні гази і мінеральні солі. При зміні об'єму ґрунтових вод змінюється і вміст в них розчинених солей і газів. Закономірні зміни вмісту розчинених солей і положення рівня ґрунтових вод називаються їх режимом в річному циклі. По роках кількість опадів, а отже, і умови живлення ґрунтових вод дещо відрізняються. Тому можна говорити також і про середній багаторічний режим ґрунтових вод.

Різновидом ґрунтових вод є надмерзлотні ґрунтові води області вічної мерзлоти. Їх водотривким ложем служить поверхня (покрівля) вічномерзлих порід. Живляться вони атмосферними опадами і талими водами шару, що сезонно відтає. При промерзанні останнього взимку на деякий час надмерзлотні води стають напірними, поки не перемерзнуть самі.

Ґрунтові води формуються також в тріщинах і корі вивітрювання скельних порід іноді до глибини 50 м. Водотривким шаром для них є монолітна невивітрена слаботріщинувата скеля.

Тріщинуватість вивітрювання нерівномірна, водотривкий шар нерівний, місцями кора вивітрювання зрізана денудацією. Тому ґрунтові тріщинні води часто залягають кишенеподібно і не мають чітко виражених дзеркала і ложа. Ці води переважно незначні, за складом прісні. Безнапірні ґрунтові води можуть міститися також в порожнинах, ходах, печерах, підземних руслах, що утворилися унаслідок вилуговування розчинних гірських порід, вапняків, доломіту, гіпсу, кам'яної солі (у карстових пустотах). Ці води мають багато загального з тріщинними ґрунтовими водами за характером залягання і часто не мають вираженого дзеркала і ложа. Проте, як правило, карстові ґрунтові води більш багаті і залежно від складу породи, що карстується, можуть містити значні кількості розчинених карбонатів, сульфатів або хлоридів.

 

Рис. 1.14 - Ґрунтові води конусів виносу і пролювіальних шлейфів. 1—гори; 2—конус ви-носу, пролювіальний шлейф; 3—галечник і гравій з піском; 4—супіски і суглинки; 5—рівень ґрунтових вод; 6—пластовий вихід ґрунтових вод на поверхню (тограк)

Рис. 1.15 - Схема залягання безнапірних міжпластових вод. 1—водотривкі плас-ти; 2—піщаний пласт; 3—ґрунтові води; 4—міжпластові ненапірні во-ди; 5—область живлення; 6—низхідне джерело під-земних вод

 

Безнапірні міжпластові підземні води залягають у другому-третьому від поверхні землі водоносному пласті — нижче за ґрунтові води. Ці води містяться у водоносних пластах між водотривкими пластами. Проте вода не заповнює водоносний пласт повністю (рис. 1.15). Звичайно безнапірні міжпластові води розвинуті в області розчленованого рельєфу і залягають вище за місцевий базис ерозії. Область їх живлення лежить тільки в місці виходу водоносного пласта на поверхню землі. На берегах ярів і річок виходять низхідні джерела цих вод.

Ґрунтові і міжпластові ненапірні води служать основним джерелом поповнення річкових вод та вод ярів в посушливий період в зонах недостатнього зволоження. Ґрунтові води завжди більш забруднені, ніж міжпластові.

При близькому до поверхні землі заляганні рівня ґрунтові води заливають котловани, підземні виробки і підвали, розм'якшують ґрунти основ та середовища споруд, що будуються, і будівель, обумовлюють пучення ґрунтів взимку, просідання і набухання, можуть агресивно впливати на бетон і метали фундаментів та інших підземних конструкцій.

На забудовуваних або освоєних площах при витоках басейнових, господарсько-побутових і технологічних вод у випадках аварій водопроводів, а також унаслідок конденсації пари під водонепроникними покриттями (асфальт, бетон, залізо) і при міграції вологи до охолоджуваних поверхонь (дороги, вулиці, тротуари, з яких прибирають сніг) та фундаментів неопалюваних будівель утворюються лінзи верховодки. Вона поповнює запаси ґрунтових вод, рівень яких при цьому може підвищуватися іноді тривало і значно.

У перерахованих випадках часто виникає необхідність пониження рівня ґрунтових вод або огородження від них підземних споруд та їх частин.

При розкритті котлованів, траншей різних комунікацій, підземних виробок рівень ґрунтових вод знижують, відкачуючи їх насосами. Захищають виробки кільцевим дренажем або заморожуючи водоносний горизонт в зоні розробки. Іноді через відсутність природних нахилів ґрунтові води відкачують постійно і при експлуатації споруд.

Основним способом тривалого пониження рівня ґрунтових вод є їх дренування підземними штольнями, закритими лотками і перфорованими трубами. Мережу таких дренажів і оглядових колодязів споруджують на аеродромах, майданчиках вузлів і станцій, житлових селищ та промислових підприємств, а також на обводнених схилах.

У виїмках, що розкривають ґрунтові води, облаштовують підкюветні і закюветні поздовжні дренажі, під шляхами поперечні дренажні прорізи, а на відкосах — відкісні відкриті дренажі. Каптують ґрунтові води, що виходять у вигляді точкових і лінійних джерел.     

Для пониження рівня ґрунтових вод на деяких схилах
достатньо влаштувати мережу поглиблених канав, що збирають і відводять воду за межі осушуваної ділянки. У деяких сприятливих випадках рівень ґрунтових вод можна знизити шляхом спуску води у вікно вертикального дренажу, що прорізає водотривкий шар, який підстилає дренуючий водоносний горизонт, в розташований нижче пласт піску, гравію, гальки або в горизонт ненапірних підземних вод. Таке водопоглинання нерідко застосовують в Середній Азії і Казахстані.

Фундаменти окремих будівель, підземні споруди захищають від доступу ґрунтових вод гідроізоляцією конструкцій (покриття, обмазки, герметизація швів і т. п.) або облаштовують водонепроникні екрани з глини, бетону та інших матеріалів і кільцеві дренажі навколо об'єкту, що захищається, або перерізають потік ґрунтових вод вище по його течії.

Підвали деяких будівель роблять провітрюваними або
споруджують вентиляційний дренаж для повсякденного видалення вологого повітря з ґрунтів середовища та основи і прилеглих масивів.     

Напірні води

 Напірними, або артезіанськими, називаються води, які заповнюють всі пори і порожнини водоносного горизонту, що підстилається і перекривається водотривкими пластами. Найчастіше такі води накопичуються при синклінальному або похилому заляганні пластів (рис. 1.16) та в місцях тектонічних розломів — жильні води, іноді в карстових порожнинах. У останньому випадку води називаються карстовими.

Область розповсюдження напірних вод в певній геологічній структурі називається артезіанським басейном. Схематичний розріз такого басейну показаний на рис. 1.16. На площі басейну розрізняють області живлення, накопичення (напору) і виходу

 

 

Рис. 1.16 - Схема будови артезіанського басейну при мульдоподібному (1) і моноклінальному (2) заляганні пластів порід. 1—водоносний пласт; 2—водотривкі пласти; 3—п'єзометричний рівень напірних вод; 4— область живлення; 5—область напору; 6—область розвантаження; 7—напір; 8—потужність артезіанського пласта; 9—напрям потоку підземних вод

 

 (розвантаження) напірних підземних вод на поверхню. У області живлення поширені звичайні ґрунтові води, які живлять артезіанський басейн. У міру віддалення від області живлення підземні води набувають напору. Якщо водоносний горизонт розкрити свердловиною, вода в ній підіймається і може навіть фонтанувати (див. рис. 1.16). Висота підйому, рівня води над покрівлею водоносного горизонту називається гідростатичним напором. Рівень (поверхня), до якого підіймаються розкриті напірні води, називається п'єзометричним (напірним) рівнем, або п'єзометричною поверхнею. Артезіанська свердловина фонтануватиме при положенні п'єзометричного рівня вище поверхні землі, в зворотному випадку рівень води в свердловині встановиться нижче за гирло свердловини на висоті напору. На виходах артезіанських вод в долинах у області розвантаження б'ють висхідні джерела.

Хімічний склад артезіанських вод змінюється за площею басейну. Вміст розчинених солей збільшується з глибиною залягання води. Склад артезіанської води в даній точці горизонту відрізняється постійністю. Напір і п'єзометричний рівень артезіанських вод в природних умовах звичайно відчувають тільки невеликі коливання. Все це вказує на стійкість режиму напірних вод в порівнянні з режимом вільних вод (поверхневих, ґрунтових та ін.).

За кількістю водопроникних пластів, розділених шарами водотривких порід, в артезіанському басейні може бути виділено декілька напірних водоносних горизонтів, що відрізняються глибиною залягання і складом води.

В області вічної мерзлоти напірними є міжмерзлотні і підмерзлотні води. Міжмерзлотні води бувають пластові і пластово-тріщинні. Циркулюють вони в добре проникних середовищах (гравії, галечнику, тріщинах скельних порід) і живляться надмерзлотними і підмерзлотними водами. Підмерзлотні води залягають під товщею вічної мерзлоти і не відрізняються від підземних вод позамерзлотних областей. Ці води пластові, пластово-тріщинні, тріщинні і карстові. Живляться вони поверхневими водами, атмосферними опадами (через талики, тектонічні тріщини), міжмерзлотними і надмерзлотними водами. Хімічний склад і температура підмерзлотних вод в різних місцях різні. У місцях виходів підмерзлотні води дають висхідні джерела. Міжмерзлотні і підмерзлотні води чисті, часто прісні, рясні. Тому в Забайкаллі і в деяких районах Далекого Сходу вони є основними джерелами водопостачання.

Напірні води в тектонічних тріщинах земної кори називаються жильними. Вони циркулюють в породах різного складу іноді до великих глибин, в долинах річок утворюють висхідні джерела. Іноді їх напір обумовлений не тиском води, а тиском газів і водяної пари, що поступає з глибин земної кори, як це спостерігається в Долині Гейзерів на Камчатці. Зустрічаючи горизонти пластових і пластово-тріщинних вод, що перетинаються тектонічною тріщиною, жильні води утворюють з ними змішані води. Іноді води одних горизонтів по жилах переливаються в інші горизонти. Жильні води використовуються для водопостачання.

Напірними бувають і карстові води, які циркулюють на значних глибинах.