ГЛАВА 1 Водные свойства горных пород и виды воды в породах

ОСНОВЫ ГИДРОГЕОЛОГИИ

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1 Водные свойства горных пород и виды воды в породах

       1.  Основные понятия и термины

       2.  Виды воды в горных породах

ГЛАВА 2 Происхождение и классификация подземных вод

       3.  Круговорот воды в природе

       4.  Происхождение подземных вод

       5.  Классификация подземных вод

       6.  Краткая характеристика подземных вод

       7.  Физические свойства и химический состав подземных вод

ГЛАВА 3 Особые случаи залегания подземных вод

       8.  Вечная (многолетняя мерзлота)

       9.  Трещинные воды

       10. Карстовые воды

ГЛАВА 4 Основы динамики подземных вод

       11. Основные законы движения подземных вод

       12. Движение подземных вод в естественных условиях

       13. Движение подземных вод к водозаборным сооружениям

       14. Понятие о взаимодействии водопонижающих скважин и их расчет

       15. Уравнение для определения коэффициента фильтрации по данным откачек

ГЛАВА 5 Методы гидрогеологических исследований

       16. Объем и характер гидрогеологических работ на различных стадиях разработки месторождения

       17. Виды и содержание гидрогеологических работ

       18. Гидрогеологические исследования при разведке и эксплуатации месторождений

ВВЕДЕНИЕ

Гидрогеология — наука о подземных водах, т. е. водах, находящихся ниже поверхности земли в капельно-жидком, парообразном и твердом виде и приуроченных к различным горным породам. Она изучает происхождение и развитие подземных вод, условия их залегания и распространения, законы движения, процессы взаимодействия с вмещающими горными породами, физические и химические свойства, их газовый состав.

В жизни людей подземные воды играют исключительно важную роль. По выражению академика А. П. Карпинского, подземные воды являются наиболее драгоценным ископаемым. Издавна они используются человеком для питьевого и хозяйственно-технического водоснабжения. Широко применяются подземные воды для лечебных целей, добычи брома, йода и других редких компонентов. Высокотемпературные воды применяются для отопления, выработки электроэнергии, выращивания овощей и фруктов и коммунальных целей.

Вместе с тем во многих отраслях народного хозяйства подъемные воды играют отрицательную роль. При строительстве гидротехнических сооружений, туннелей, метрополитенов и т. п. подземные воды значительно осложняют ведение работ, обусловливая необходимость применения дренажных и гидроизоляционных мероприятий, нередко очень сложных, что значительно усложняет и удорожает строительство.

В горнодобывающей промышленности подземные воды в большинстве случаев играют отрицательную роль. Для борьбы с ними на карьерах, в шахтах и рудниках применяют различные дренажные сооружения и водоотливные установки. Капиталовложения на дренаж и эксплуатационные расходы на водоотлив часто достигают 20—30% и более от общей стоимости всех расходов по добыче полезного ископаемого.

Обводненность горных предприятий бывает различной; притоки подземных вод в горные выработки колеблются от нескольких до многих тысяч кубометров в час. Например, из карьеров Соколовско-Сарбайского горнообогатительного комбината откачивается воды свыше 2000 м³/ч. Особой обводненностью отлича­ются месторождения полезных ископаемых, залегающие среди закарстованных пород. Например, притоки в бокситовые рудники на Урале нередко составляют 5000—9000 м³/ч, достигая иногда 12 000 м³/ч.

Из сказанного ясно, что при проектировании горных предприятий и ведении эксплуатационных работ для принятия наиболее целесообразных и рентабельных мер по борьбе с отрицательным действием подземных вод необходимы исчерпывающие сведения о гидрогеологических особенностях месторождения. Следовательно, значение гидрогеологии для горной промышленности велико.

Инженерная геология — отрасль геологии, изучающая верхнюю часть литосферы в связи со строительством различных сооружений. Возводимые объекты вызывают соответствующие изменения природных геологических условий, а измененная природная обстановка в сочетании с естественной в свою очередь, влияет на условия строительства и эксплуатацию карьеров, дорог, гидротехнических сооружений и других объектов. Отсюда следует, что теоретической и практической задачей инженерной геологии является прогнозирование геологических процессов, вызываемых хозяйственной деятельностью человека, и разработка мероприятий, обеспечивающих нормальную работу карьеров и других горнодобывающих предприятий, а также устойчивость и нормаль­ную эксплуатацию различных сооружений, возводимых в неблагоприятных геологических условиях.

По утверждению основоположника инженерной геологии как науки академика Ф. П. Саваренского, для возведения инженерного сооружения опасны не столько неблагоприятные природные условия, сколько недостаточное знание инженерно-геологических условий и неумение оценить их с точки зрения того или иного инженерного мероприятия, применяемого для предотвращения ожидаемых деформаций.

В связи с мощным развитием в РФ горнодобывающей промышленности и необходимостью разработки месторождений, гидрогеологические и инженерно-геологические условия которых являются сложными и весьма сложными, возникла необходимость в специальном изучении гидрогеологических и инженерно-геологических особенностей обводненных месторождений в целях выработки наиболее рациональных мероприятий по борьбе с отрицательным воздействием подземных вод. Раздел гидрогеологии, изучающий рудничные, или шахтные, воды и соответственно инженерно-геологические условия, получил наименование рудничной, или шахтной, гидрогеологии. В РФ изданы многочисленные монографии и пособия по рудничной гидрогеологии, что свидетельствует о ее бурном развитии в стране.

Дальнейшее совершенствование методов рудничной гидрогеологии инженерной геологии позволит применять способы активной  борьбы с подземными водами и неблагоприятными инженерно-геологическими явлениями, что при все большем внедрении средств механизации и автоматизации в горной промышленности является одной из основных предпосылок успешной работы современного горного предприятия.

Горные техники, непосредственно осуществляющие строительство в карьерах дренажных сооружений, а затем повседневный надзор за их исправным техническим состоянием, должны знать основы гидрогеологии, особенно тех ее разделов, в которых излагаются технические способы борьбы с притоками подземных вод.

Горным техникам необходимо также знание основ инженерной геологии, чтобы обеспечивать технически грамотное строительство и затем повседневный технический надзор за исправным состоянием различных противодеформациоиных сооружений, предотвращающих оползание и обрушение бортов карьеров, и другие деформации в горных выработках.

Изложению основ гидрогеологии и инженерной геологии в объеме действующей программы и посвящен учебник, предназначенный для студентов горных техникумов по специальности «Открытая разработка месторождений полезных ископаемых».

ГЛАВА 1

И ВИДЫ ВОДЫ В ПОРОДАХ

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ТЕРМИНЫ

 

Под водными свойствами горных пород понимаются те, которые проявляются в них при взаимодействии с водой: водопроницаемость, капиллярные явления, влагоемкость, водоотдача, влажность, растворимость, набухание, размокание, усадка, пластичность и консистенция. Некоторые из этих свойств (растворимость, набухание и последующие) одновременно характеризуют и физико-механические свойства пород и поэтому будут рассмотрены ниже, в главе 6. Рассматриваемые в данном параграфе водные свойства пород обусловливаются их скважностью или пористостью.

Скважность и пористость. Горные породы по условиям происхождения и вследствие вторичных процессов (выветривание, растворение и выщелачивание, тектонические движения и пр,) не являются абсолютно монолитными и содержат пустоты самых различных размеров и формы. В зависимости от вида и размера пустот различают: скважность, обусловленную крупными порами (более 1 мм), ноздреватостью, крупной трещиноватостью и закарстованностью; пористость, когда в горных породах имеются поры диаметром менее 1 мм, а трещины шириной менее 0,25 мм.

Скважность и пористость определяют гидрогеологические свойства горных пород по их площади и глубине. В горных породах, которым присуща скважность, подземная вода передвигается только под действием силы тяжести, а в породах пористых — под действием сил тяжести, поверхностного натяжения и других факторов.

В строительстве, горной промышленности и других отраслях пустоты в горных породах называются преимущественно пористостью. Определение пористости имеет существенное значение при решении ряда практических задач в строительстве, водоснабже­нии, горном деле и т.п.

Количественно пористость выражается отношением объема пустот ко всему объему породы:                 ,

где n- пористость;

Vп – объем пустот в грунте;

V – объем грунта.

В породах осадочного происхождения (гравий, песок, щебень и т. п.) величина пористости зависит от размера, формы и взаимного расположения частиц, слагающих породу.

На рис. 1 показано, как изменяется пористость гипотетической породы, состоящей из частиц шаровидной формы одинакового диаметра, в зависимости от их расположения.

Водоотдача и водопроницаемость пород, обладающих различной пористостью, зависят не только от общей пористости и величины отдельных пор, но также и от расположения этих пор в породе и их взаимной связи. При неоднородном плохо отсортированном материале, из которого сложены рыхлые осадочные породы, пустоты между крупными частицами заполнены частицами более мелкими, что уменьшает объем пустот, а, следовательно, и пористость.

Среди скальных пород наименьшую пористость имеют изверженные, у которых она обычно не превышает долей процента, за исключением некоторых (например, пористость артикского туфа в Армении достигает 55—60%).

Пористость глинистых пород, несмотря на очень малую величину отдельных пор, в большинстве случаев превосходит пористость песков и нередко достигает 50—60% и более; поры в этих породах обычно имеют щелевидную форму. Пористость глинистых пород не постоянна и изменяется в зависимости от степени их увлажнения, а также под влиянием внешнего давления.

Коэффициент фильтрации некоторых пород

Водопроницаемость — свойство пород пропускать под действием тяжести

воду, что обусловливается их скважностью и пористостью, Однако не все породы способны пропускать через себя воду. Глинистые породы, пористость которых почти всегда превосходит пористость раздельнозернистых пород (песков и др.), практически не пропускают воду; это обусловливается тем, что поры в глинистых породах очень мелкие, а находящаяся в них вода физически связанная (см. ниже), не подверженная силам гравитации.

Водопроницаемость пород характеризуется коэффициентом фильтрации, который представляет собой скорость движения воды в единицу времени при гидравлическом градиенте, равном единице; размерность его - см/сек, м/ч, м/сутки. Примерные величины коэффициентов фильтрации различных осадочных пород приведены в табл. 1Таблица 1

ПОРОДА	Коэффициент фильтрации, м\сутки
Глины………………………………………………………	< 0,001
Суглинки…………………………………………………..	0,01 – 0,001
Супесь плотная……………………………………………	0,1 – 0,01
Супесь рыхлая…………………………………………….	1 – 0,1
Песок мелкозернистый…………………………………..	1 – 6
Песок средне- и крупнозернистый………………………	6 – 60
Бурые угли Днепровского бассейна…………………….	0,0001 – 0,46
Бурые угли других бассейнов……………………………	0,5 – 14
Галечник с песком………………………………………..	20 – 100
Галечник отсортированный………………………………	> 100

Гидравлическим, или напорным, градиентом называется отношение разности напоров в двух точках гидростатической поверхности к расстоянию между ними, считая по горизонтали.

Капиллярные свойства пород. Рыхлые горные породы имеют большое количество мелких пустот и канальцев, обладающих свойствами капилляров, которые разветвляются в разных направлениях, образуя тончайшую капиллярную сетку. Поднятие или опускание жидкости в капиллярах называется капиллярным явлением. Капиллярные явления объясняются действием сил поверхностного натяжения, проявляющихся между молекулами воды и стенками капилляра на границе раздела воды и воздуха; это обусловливает поднятие воды по капиллярным трубкам на ту или иную высоту.

Результаты лабораторных и полевых исследований показывают такие величины предельной высоты капиллярного поднятия (в см):

песок крупнозернистый 12—15

среднезернистый 40—50

мелкозернистый 90—110

Супесь 175 – 200

суглинок легкий 225 – 250

суглинок 350 – 650

Глина до 12 м

Показатели капиллярного поднятия воды в породах используются:

1) для оценки возможности увлажнения нижней части фундаментов зданий, насыпей железных дорог и автострад, силосных ям и др. Это увлажнение создает излишнюю сырость в помещениях, а также снижает прочность грунтов оснований фундаментов, дорожных насыпей и пр.;

2) для оценки возможности заболачивания территорий, а в засушливых районах — засоления грунтов;

3) для расчета необходимой глубины понижения уровня грунтовых вод при строительстве инженерных сооружений, осушении заболоченных территорий и борьбе с засолением почв на орошаемых территориях.

Влагоемкость — способность горных пород вмещать в своих пустотах и удерживать определенное количество воды при возможности свободного ее вытекания под действием силы тяжести. Различают следующие виды влагоемкости: полную — максимальное количество воды, удерживаемой породой при полном насыщении всех пустот водой; капиллярную — максимальное количество воды, удерживаемое в капиллярных порах; пленочную, или максимальную молекулярную,— максимальное количество физически связанной воды, удерживаемой частицами породы; гигроскопическую — соответствует количеству прочно связанной (адсорбированной) воды. По степени влагоемкости горные породы подразделяются на следующие виды: очень влагоемкие (торф, ил, глина, суглинки); слабо влагоемкие (мел, мергель, лёссовые породы, супеси, мелкозернистые пески); невлагоемкие (скальные породы, галечники, гравий, крупнозернистые пески).

Водоотдача — свойство пород, насыщенных водой, свободно отдавать гравитационную воду. Количественно характеризуется коэффициентом водоотдачи — отношением объема свободно вытекающей из породы воды (при полном заполнении пор или трещин) к объему всей породы, или удельной водоотдачей — количеством воды в литрах, вытекающей из 1 м3 породы. Для крупнозернистых песков, гравия и других подобных пород коэффициент водоотдачи равен их пористости или полной влагоемкости. Водоотдача мелкозернистых песков, супесей и суглинков значительно меньше и равна разности между полной влагоемкостью и максимальной молекулярной влагоемкостью. Величина водоотдачи используется при осушении заболоченных территорий, дренировании выемок, определении притоков воды в котлованы и горные выработки и для решения ряда других задач.

Влажность — содержание в породах в условиях их естественного залегания воды, удаляемой высушиванием при температуре 105-107 С до постоянного веса образца породы. Выражается в процентах к весу сухой твердой части образца. Определяют влажность ПО ГОСТ 5179—64 [10]. В зоне аэрации и капиллярного насыщения влажность пород в течение года меняется в зависимости от сезонных изменений температуры, давления, влажности воздуха, осадков, испарения и других факторов.

 

ВИДЫ ВОДЫ В ГОРНЫХ ПОРОДАХ

 

В порах и трещинах горных пород всегда содержится вода в парообразном, жидком или твердом состоянии. Существуют различные классификации видов воды в горных породах.

В гидрогеологии и инженерной геологии принята классификация, которая была предложена А. Ф. Лебедевым (1930 г.), а затем уточнена в соответствии с новейшими представлениями о природе воды, строении ее молекулы и характере физико-химического взаимодействия воды с минеральными частицами пород:

1. Вода в состоянии пара.

2. Физически связанная вода:

1) прочно связанная, или адсорбированная, вода;

2)рыхло или слабо связанная вода.

3. Свободная вода:

1) капиллярная;

2) гравитационная.

4. Вода в твердом состоянии.

5. Вода в кристаллической решетке минералов:

1) конституционная;

2) кристаллизационная;

3) цеолитная.

Вода в состоянии пара. Эта вода заполняет свободную часть пор в зоне аэрации. Под влиянием изменения температуры и давления парообразная влага может превращаться в капельножидкое состояние — конденсироваться или, наоборот, жидкая вода превращается в парообразное состояние. Тем самым парообразная влага в порах пород находится в постоянном динамическом равновесии с другими видами воды и с парами воды в атмосфере. Физически связанная вода. Такая вода присуща преимущественно глинистым породам; в скальных и раздельнозернистых породах она практического значения не имеет. Подразделяется на прочно связанную, или адсорбированную, и рыхло или слабо связанную воду. Образование физически связанной воды обусловливается наличием у мелкодисперсных глинистых минералов, входящих в состав глинистых пород, поверхностной энергии, природа которой электростатическая. Электростатическое поле, образующееся на поверхности мелкодисперсных минералов, как правило, имеет отрицательный заряд. При взаимодействии мелкодисперсной частицы с водой молекулы воды, являясь жесткими диполями, притягиваются к поверхности частицы положительными концами. Помимо молекул воды к поверхности минеральной частицы притягиваются и катионы из поровой воды. Поровая вода — жидкая фаза, заполняющая поры породы; представляет собой водный раствор различных солей.

Молекулы воды и катионы, непосредственно ориентированные поверхностью частицы, прочно связаны с ней; эту воду нельзя отделить от частицы даже силами в несколько тысяч атмосфер, и она перемещается в порах породы только в виде пара. Ее называют прочно связанной, или адсорбированной. Наибольшее количество прочно связанной воды называется максимальной гидроскопической влагоемкостью; в песчаных грунтах она не превышает 1-2%, а в глинистых достигает 20%.

Если бы не проявлялось молекулярное тепловое (броуновское) движение, то около грунтовой частицы образовался бы неподвижный, адсорбционный слой катионов и молекул воды. Но тепловой эффект обусловливает образование около частиц слоя подвижных катионов, которые в совокупности с катионами неподвижного слоя гасят заряд частицы. Подвижный слой катионов называется диффузным; катионы диффузного слоя называются обменными, или поглощенными. Обменные катионы способны обмениваться с катионами порового раствора; этот процесс называется ионным обменом. Ионный обмен, широко распространенный и существенно влияющий на физико-механические свойства глинистых пород, имеет большое практическое значение. Общее количество ионов диффузного слоя глинистой тонкодисперсной частицы, способных к обмену с катионами порового раствора в данных условиях, называют емкостью обмена, или поглощения, породы. Количественно емкость обмена выражают в миллиграмм-эквивалентах на 100 г сухой породы.

От состава обменных катионов в значительной степени зависят физико-механические свойства глинистых пород и тем заметнее, чем больше емкость поглощения. Глины, насыщенные натрием, очень сильно набухают в воде, имеют малое сцепление, при действии внешней нагрузки сильно сжимаются; в сухом состоянии обладают значительной связностью и прочностью.

Глины, диффузный слой которых состоит из ионов кальция, слабее набухают в воде, под нагрузкой они меньше сжимаются и имеют ряд других удовлетворительных механических свойств.

Искусственно меняя состав обменных катионов, можно изменять физико-механические свойства глинистых пород в желаемом для практических целей направлении, что широко используется в практике мелиорации грунтов.

Катионы диффузного слоя также притягивают к себе диполи воды и около них в свою очередь образуется гидратная оболочка. Вода диффузного слоя называется рыхло связанной. Энергия связи между частицей и катионами диффузного слоя, а тем самым и рыхло связанной водой интенсивно убывает по мере удаления от поверхности частицы. Рыхло связанная вода называется также пленочной; вместе с прочно связанной она, по А. Ф. Лебедеву, называется молекулярной водой. Максимальное количество молекулярной воды, удерживаемой данной породой в данных условиях, А. Ф. Лебедев назвал максимальной молекулярной влагоемкостью.

Эта влагоемкость примерно соответствует влажности нижнего предела пластичности.

Максимальное содержание связанной в глине воды, образующейся за счет различных видов взаимодействия диполей воды с поверхностью частиц, соответствует влажности верхнего предела пластичности и влажности набухания.

Характерными свойствами рыхло связанной воды являются: более медленное по сравнению со свободной водой передвижение (в основном она передвигается по породам от мест с большей толщиной пленок к местам с меньшей их толщиной); прямая зависимость скорости ее передвижения от температуры; пониженная способность растворять соли (растворенные в ней соли передвигаются независимо от передвижения самой воды); замерзание при температуре ниже нуля, причем температура замерзания понижается тем больше, чем более дисперсны частицы; гидростатического давления рыхло связанная вода не передает.

Наличие в глинистых породах рыхло связанной воды придает им ряд важных свойств: липкость, пластичность, набухание, усадку и др.; физико-механические свойства данных пород (сопротивление сжатию и сдвигу) изменяются в обратной зависимости от количества рыхло связанной воды.

Свободная вода. Капиллярная вода заполняет капиллярные пустоты в породах; она поднимается от уровня подземных вод вверх по капиллярным пустотам под действием силы поверхностного натяжения на границе раздела воды и воздуха, образуя выше уровня подземных вод зону капиллярного насыщения и отделяясь от зоны аэрации капиллярной каймой.

Гравитационная вода — подземная вода, движущаяся в порах и трещинах горных пород под действием силы тяжести. Гравитационная вода обладает всеми свойствами, присущими обычной воде: растворяющей способностью, передает гидростатическое давление, оказывает при движении механическое воздействие на породы. Гидростатическое давление воды, находящейся в порах пород, уменьшает вес скелета породы по закону Архимеда и оказывает взвешивающее давление на подошву сооружений, построенных на водопасыщенных породах. Механическое действие движущейся воды на породы проявляется в выносе мелких частиц из рыхлых несвязных пород на откосах выемок и котлованов — суффозии, что может вызвать неустойчивость откосов и последующую деформацию склонов. В зоне полного насыщения всех пустот в породе гравитационные воды образуют водоносные горизонты. Изучение гравитационных вод, их движения, физических свойств и химического состава является основной задачей гидрогеологических исследований.

Вода в твердом состоянии. При температуре пород ниже пуля гравитационная и часть связанной воды замерзает и содержится в породах в виде кристаллов льда или ледяных прослоев и жил. Кристаллы льда цементируют отдельные минеральные частицы, превращая рыхлые породы в твердые. Свойства пород, сцементированных льдом, резко отличны от свойств талых пород. Изучением свойств мерзлых пород занимается особая наука — мерзлотоведение.

Вода в кристаллической решетке минералов. Конституционная вода входит в состав кристаллической решетки минералов в виде ионов Н+ и ОН-, участвуя в их строении, например Са(ОН) . При разрушении кристаллической решетки минералов выделяются водород и гидроксил, которые связываются и образуют молекулы воды. Выделение конституционной воды при нагревании каждого минерала происходит в определенном температурном интервале (обычно выше 300° С) и сопровождается поглощением тепла. Это позволяет определять некоторые минералы при помощи термического анализа, для чего употребляются специальные приборы — термографы.

Кристаллизационная вода участвует в строении кристаллической решетки некоторых минералов в виде молекул воды в строго определенных количествах (например, в гипсе СаSO 2Н О, в мирабилите NаSО 10Н О). Эта вода, как и конституционная, выделяется из минералов при строго определенной для каждого минерала температуре (ниже 300° С) и сопровождается поглощением тепла, что и позволяет определять исследуемый минерал при помощи термического анализа. Выделение кристаллизационной воды обусловливает разрушение решетки минерала и ее перестройку (например, гипс превращается в ангидрит).

Цеолитная вода — часть кристаллизационной воды, которая может выделяться и вновь поглощаться без разрушения кристаллической решетки, входит в состав кристаллических решеток некоторых минералов — цеолитов, представляющих собой водные алюмосиликаты

 

 

ГЛАВА 2

КРУГОВОРОТ ВОДЫ В ПРИРОДЕ

Вода в природе встречается в трех состояниях: парообразном, жидком и твердом. Переход воды из одного состояния в другое происходит под влиянием солнечного тепла, а также жизнеде­ятельности растений и других факторов.

В атмосфере вода содержится в виде пара, в капельно-жидком (облака и туман) и твердом состоянии (ледяные кристаллы, град, снег). В среднем в атмосфере содержится около 14 000 км³ воды, преимущественно в виде пара. Но благодаря постоянному пополнению атмосферной влаги за счет испарения на поверхность земли ежегодно выпадает около 520 тыс. км³ осадков.

На поверхности земли вода в жидком состоянии скапливается в океанах, морях, озерах, болотах, реках, а также находится в виде ледников и снега, образуя гидросферу; основная масса воды гидросферы составляет Мировой океан — около 1370 млн. км³. В водах Мирового океана в колоссальных количествах в растворенном виде находятся почти все элементы таблицы Менделеева, например: золота около 10 млрд. т, серебра около 200 млрд. т, молибдена около 300 млрд. т и т, д. (данные Л. А. Зенкевича). Морская вода содержит примерно 10  т тяжелой воды. Теоретически запасов тяжелой воды как источника ядерной энергии хватит человечеству на миллиарды лет.

В земной коре — литосфере — вода содержится в виде парооб­разной, физически связанной, жидкой, химически связанной (цеолитная, кристаллизационная и конституционная) и в твердом со­стоянии.

Вода, находящаяся во всех живых организмах и растениях, образует биосферу.

Воды атмосферы, гидросферы, верхней части литосферы и биосферы находятся в самой тесной связи между собой. Испаряясь с поверхности океанов, озер, других водоемов и с суши, а также превращаясь в парообразное состояние в результате жизнедеятельности организмов, вода переходит в атмосферу, а из атмосферы вновь выпадает на поверхность земли в виде дождя, града, снега и других осадков, составляя звенья общего круговорота воды на земле, одного из самых грандиозных транспортных процессов. Это один из главных механизмов, обусловливающих формирование поверхности земли, обмен веществ и энергии.

Испарение — процесс превращения воды из жидкого состояния в парообразное под влиянием температуры. В атмосферу парообразная влага поступает путем испарения с поверхности океанов, морей, озер, болот, влажной почвы и листьев растений.

Подземные воды могут испаряться лишь на тех участках, где высота капиллярного поднятия достигает дневной поверхности.

Особым видом испарения является образование парообразной влаги в результате жизнедеятельности растений (травиной и древесной) -тринспирации.

Испарение па суше зависит от многих факторов: от температуры, атмосферного давления, скорости движения ветра, дефицита влажности воздуха, количества осадков, характера растительного покрова, характера пород и почвы, рельефа, экспозиции места, близости уровня подземных вод и т. п. Чем выше температура местности и скорость движения ветра, тем при прочих равных условиях больше испарение; чем более влажен воздух, тем меньше испарение; чем более водопроницаемы породы и почвы, тем меньше испарение; со склонов южной экспозиции влаги испаряется больше; чем ближе к поверхности земли уровень грунтовых вод, тем больше испаряется влаги, поднимающейся по капиллярам в породах.

Испарение имеет существенное значение при решении вопросов осушения, орошения, при гидрогеологических исследованиях и т. п.

Атмосферные осадки. Как указывалось, вода в атмосфере содержится в виде водяного пара и в других состояниях. В совершенно чистом воздухе сжижение водяных паров не происходит даже при охлаждении воздуха до точки росы и ниже. Для образования капелек воды, из которых состоят облака и туман, необходимо наличие в воздухе ядер конденсации, на поверхности которых и происходит сжижение водяного пара. В нижних слоях атмо­сферы содержатся многочисленные мелкие твердые частички (пыль, дым, растительные споры и т. п.), обладающие гигроскопичностью или химическим сродством с водой, которые и являются ядрами конденсации.

Атмосферные осадки подразделяются на два типа: 1) осадки, образующиеся непосредственно на поверхности земли и наземных предметах вследствие понижения температуры воздуха до точки росы (роса, иней, изморозь и пр.); 2) осадки, выпадающие на поверхность земли из облаков (дождь, град, снег, крупа).

Количество осадков измеряется толщиной слоя воды в миллиметрах, который установился бы при отсутствии стока и испарения.

Интенсивность осадков — количество осадков, выпавших за I мин. Осадки с интенсивностью больше 0,5—1 мм/мин называются ливнями.

В пределах РФ атмосферные осадки выпадают крайне не­равномерно по сезонам и по отдельным районам. В европейской части летом осадков выпадает больше, чем зимой, а в Средней Азии летом —очень мало, а в иные годы равно нулю. Наибольшее количество осадков выпадает на Черноморском побережье Кавказа от Сочи до Батуми (1200—2870 мм в год). Максимальное коли­чество осадков в РФ выпадает в Аджарии (3836 мм) и в Сванетии (до 5000 мм). В средней полосе европейской части РФ осадков выпадает 400—600 мм, в северных районах — 100—300 мм, в Прикаспийском районе — 150—200 мм в год.

Атмосферные осадки имеют решающее значение в питании подземных вод. При определении роли атмосферных осадков в питании подземных вод необходимо учитывать не только абсолютное количество осадков, но и их продолжительность, интенсивность, вид (жидкие, твердые), время выпадения, а также общие климатические, физико-географические и геологические условия изучаемой территории.

Количество выпадающих атмосферных осадков измеряется дождемерами, или осадкомерами, конструкция которых и методика работы с ними описываются в специальных руководствах по климатологии.

Поверхностный и подземный сток. Под стоком понимают ту часть атмосферных осадков и выходящих на поверхность подземных вод, которая реками выносится в моря и океаны. Поверхностный сток является одним из важнейших элементов круговорота воды в природе. Количество воды, идущей на поверхност­ный сток, зависит от ряда факторов: климата, вида осадков, рельефа местности, водопроницаемости горных пород, искусственных факторов (создание водохранилищ на реках, оросительных си­стем, полезащитных лесных полос и т. п.).

Главным фактором стока являются климатические условия. Чем больше выпадает атмосферных осадков и чем меньше испарение, тем больше сток. В засушливых районах (юго-восток европейской части СССР и Средняя Азия), где осадков выпадает очень мало, многие реки летом не имеют стока, пересыхают. Водопроницаемость пород существенно сказывается на стоке. Чем больше атмосферных осадков просачивается, превращаясь в подземные воды, тем меньше поверхностный сток.

Подземные воды питают реки в результате дренирования водоносных горизонтов, когда склоны речных долин их пересекают. Равнинные реки СССР весной, летом и осенью питаются одновременно за счет дождей и подземных вод, а зимой и в период засухи — почти исключительно за счет подземных вод.

Количественно величина стока характеризуется коэффициен­том стока и модулем стока, которые определяются обычно для площади всего бассейна реки в ее устье либо для любого другого участка реки. Для определения величины стока необходимо знать расход реки. Под расходом реки понимается количество воды, про­текающее в единицу времени через поперечное сечение живого потока воды. Чтобы определить расход воды в том или ином сечении, необходимо знать среднюю скорость движения воды в реке V (в м/сек) и площадь водного потока Р (м²). Тогда расход реки

                         Q=V F, м³/сек.                                     (1)

Методика определения расхода реки подробно излагается в курсах гидрометрии.

Коэффициент стока — отношение количества воды, стекающей c определенной площади водосборного бассейна за определенный период, к количеству выпавших осадков за тот же период в бассейне реки

,                                              (2)

где -коэффициент стока, %;

h - количество стекающей воды, мм водяного слоя; х— количество осадков, мм.

Модуль стока (М) — количество воды (Q), стекающей в единицу времени с 1 км² водосборной площади бассейна реки (F):

                        M=                                            (3)

Общий модуль стока включает в себя модули поверхностного и подземного стока. Максимальный модуль стока на равнинных реках РФ наблюдается в весеннее время, в период паводков, минимальный—зимой, когда реки питаются почти исключительно за счет подземных вод.

В гидрогеологии важно знать величину подземного стока на том или ином участке реки. Существуют многочисленные способы определения величины подземного стока, описываемые в специальной литературе [18]. Модуль подземного стока является надежным показателем при оценке водоносности горных пород, распространенных на площади водосборного бассейна реки, и используется при гидрогеологических расчетах.

 

ПРОИСХОЖДЕНИЕ ПОДЗЕМНЫХ ВОД

Подземные воды образуются большей частью путем инфиль­трации атмосферных осадков, а частично путем конденсации из воздуха, при понижении температуры воздуха, находящегося в порах пород, до точки росы. Часть подземных вод, будучи захороненном в порах осадочных толщ, образуется одновременно с осаждением терригенных материалов на дне водоемов; эти воды называются седиментационными.