Через толщи песка, гравия, гальки, известняка с трещинами. Пласты, состоящие из этих пород, называют водопроницаемыми .

Но дождевая вода доходит до слоя глины и останавливается: ведь глина почти не пропускает воду. Пласты горных пород, которые не пропускают или очень слабо пропускают через себя воду, называют водоупорными (водонепроницаемыми) . К водоупорным пластам можно отнести гранит, песчаник гли-нистый сланец, но только в том случае, если они не имеют тре-щин.

Над водоупорным слоем подземная вода скапливается, образуя водоносный пласт (горизонт ) — слой водопроницаемой горной породы, за-легающий над водоупорным пластом и содержащий подземные воды.

Родники (ключи)

Если водоупорный пласт име-ет наклон в ту или другую сторону, то вода начинает течь по этому пласту в сторону наклона его и обычно где-нибудь выхо-дит на поверхность в долине реки или в овраге. Место естественного выхода подземной воды на поверхность называют источником , клю-чом или родником (рис. 84). Вода источников, как правило чистая и холодная.

Источников особенно много в оврагах, по берегам рек, в обрывах, так как там выходят на поверхность водоупорные пласты.

Минеральные источники

В некоторых районах земного шара на по-верхность земли выходит вода, в которой в довольно большом количестве растворены соли и газы. Эту воду называют минеральной. Воду минеральных источников используют для лечения разных болезней. Около этих источников возникают лечебницы и курорты. Всемирно известной славой пользуются курорты на Кавказе (Боржоми, Кисловодск и др.).

Горячие источники

• Скважины.

Картинки (фото, рисунки)

На этой странице материал по темам:

И др.).

Подземные воды, перемещающиеся под влиянием силы тяжести, называются гравитационными или свободными водами , в отличие от связанных вод (гигроскопические, плёночные, капиллярные и кристаллизационные воды). Слои горных пород, насыщенные гравитационной водой , образуют водоносные горизонты , или пласты , составляющие водоносные комплексы , горные породы которых обладают различной степенью влагоемкости , водопроницаемости и водоотдачи .

Глубина залегания грунтовых вод зависит от географических условий, закономерно изменяющихся от полюсов к экватору. В Европейской части средняя глубина зеркала грунтовых вод постепенно увеличивается с севера на юг (в зоне тундр — близ поверхности, в средней полосе — несколько метров, на юге — несколько десятков метров). Нижняя граница грунтовых вод располагается на глубине более 10-12 км. Водоносные горизонты, залегающие ниже грунтовых вод, отделяются от них пластами водонепроницаемых (водоупорных) или слабопроницаемых пород и называются горизонтами межпластовых вод. Они обычно находятся под гидростатическим давлением (артезианские воды), реже имеют свободную поверхность — безнапорные воды . Область питания межпластовых вод находится в местах выхода водовмещающих пород на дневную поверхность (или в местах их неглубокого залегания); питание происходит также и путём перетекания воды из других водоносных горизонтов.

Подземные воды — природные растворы, содержащие свыше 60 химических элементов (в наибольших количествах — К, Na, Ca, Mg, Fe, Cl, S, С, Si, N, О, Н), а также микроорганизмы (окисляющие и восстанавливающие различные вещества). Как правило, подземные воды насыщены газами (CO 2 , О 2 , N 2 , С 2 H 2 и др.). По степени минерализации подземные воды подразделяют (по ) на пресные (до 1 г/л), солоноватые (от 1 до 10 г/л), солёные (от 10 до 50 г/л) и подземные рассолы (свыше 50 г/л); в более поздних классификациях к подземным рассолам относят воды с минерализацией свыше 36 г/л. В зависимости от температуры (°С) различают: переохлаждённые подземные воды (ниже 0), холодные (от 0 до 20), тёплые (от 20 до 37), горячие (от 37 до 50), весьма горячие (от 50 до 100) и перегретые (свыше 100).

По происхождению выделяется несколько типов подземных вод. Инфильтрационные воды образуются благодаря просачиванию с поверхности Земли дождевых, талых и речных вод. По составу они преимущественно гидрокарбонатно-кальциевые и магниевые. При выщелачивании гипсовых пород формируются сульфатно-кальциевые, а при растворении соленосных — хлоридно-натриевые воды. Конденсационные подземные воды образуются в результате конденсации водяных паров в порах или трещинах пород. Седиментационные воды формируются в процессе геологического осадкообразования и обычно представляют собой изменённые захороненные воды морского происхождения (хлоридно-натриевые, хлоридно-кальциево-натриевые и др.). К ним же относятся погребённые рассолы солеродных бассейнов, а также ультрапресные воды песчаных линз в моренных отложениях. Воды, образующиеся из магмы при ее кристаллизации и при метаморфизме горных пород, называются магматогенными или ювенильными водами .

Один из показателей природной обстановки формирования подземных вод — состав растворённых и свободно выделяющихся газов. Для верхних водоносных горизонтов с окислительной обстановкой характерно присутствие кислорода , азота , для нижних частей разреза , где преобладает восстановительная среда, типичны газы биохимического происхождения (сероводород, метан). В очагах интрузий и термометаморфизма распространены воды, насыщенные углекислым газом (углекислые воды Кавказа , Памира, Забайкалья). У кратеров вулканов встречаются кислые сульфатные воды (т.н. фумарольные термы). Во многих водонапорных системах, которыми являются часто крупные артезианские бассейны , выделяют три зоны, различающиеся степенью интенсивности водообмена с поверхностными водами и составом подземных вод. Верхние и краевые части бассейнов заняты обычно инфильтрационными пресными водами зоны активного водообмена (по Н. К. Игнатовичу) или активной циркуляции. В центральных глубоких частях бассейнов выделяется зона весьма замедленного водообмена или застойного режима, где распространены высокоминерализованные воды. В промежуточной зоне относительно замедленного или затруднённого водообмена развиты смешанные воды различного состава.

Многие качественные и количественные показатели параметров подземных вод (уровня, напора, расходов, химического и газового составов, температуры и др.) подвергаются кратковременным, многолетним и вековым изменениям, которые определяют режим подземных вод. Последний отражает процесс формирования подземных вод во времени и на различных территориях под влиянием естественных (климатических, гидрологических, геологических, гидрогеологических) и техногенных факторов. Наибольшие колебания показателей режима происходят при неглубоком залегании подземных вод.

Закономерности распространения подземных вод зависят от многих геологических и физико-географических особенностей территории. В пределах платформ и краевых прогибов развиты и склоны (на территории CCCP, например, Западносибирский артезианский бассейн, Московский артезианский бассейн , Прибалтийский артезианский бассейн). На платформах в районах поднятий докембрийского кристаллического фундамента (Украинский щит, Анабарский массив и др.) и в горноскладчатых областях развиты подземные воды трещинного типа. Своеобразные гидрогеологические условия, определяющие характер циркуляции и состав подземных вод, создаются в областях развития многолетнемёрзлых горных пород, где формируются надмерзлотные, межмерзлотные и

Классификации подземных вод отражают разнообразие условий их распространения, залегания и формирования, а также особен-ности состава и свойств (В.И. Вернадский, Ф.П. Саваренский,Н.И. Толстихин, Е.В. Пиннекер и др.).

Наиболее полной является классификация, разработанная А.М. Овчинниковым, которая отражает основные типы и подтипы подземных вод и геометрию фильтрационных сред.

Почвенные воды . В почвенном слое содержится влага, назы-ваемая почвенными водами. К ним относится: гигроскопическая, рыхло связанная, капиллярная (поднятая, подвешенная, стыковая) вода. Эти воды, передвигающиеся под действием молекулярных, капиллярных сил и реже сил тяжести, во многом определяют пло-дородие почв. Небольшие постоянные скопления воды образуются лишь в почвах болотного типа; они характеризуются большим со-держанием органических веществ и микроорганизмов.

В почвоведении выделяют следующие виды увлажнения почвы: атмосферное, грунтово-атмосферное, грунтово-атмосферное с до-полнительным поверхностным питанием и грунтово-атмосферное с дополнительным паводковым питанием.

В соответствии с балансом влаги (соотношением между ее по-ступлением и уходом (испарение и отток)) выделяют различные типы водного режима почв с разными значениями коэффициента увлажнения К у: мерзлотный (К у ≥1); промывной (К у > 1, тайга, лес, лесостепь — почвы дерново-подзолистые, лесные, черноземы); непромывной (К у < 1, сухие степи, полупустыни — каштановые почвы, сероземы).

В почвенном разрезе (2,0—2,5 м) выделяют горизонты: поч-венный — корнеобитаемый слой; подпочвенный, куда в некоторых зонах «промокание» не доходит; капиллярной каймы. Геологи-ческая деятельность почвенных вод незначительна, однако агроно-мическое значение этих вод огромно, так как почвенная влага не-обходима для выращивания сельскохозяйственных культур.

Гравитационные подземные воды сосредоточены главным об-разом в зоне насыщения, где они образуют различные по условиям залегания и питания водоносные горизонты и системы водоносных горизонтов (комплексы, этажи, бассейны).

В зоне аэрации свободные гравитационные воды могут образо-вывать временно существующие водоносные горизонты, называ-емые верховодкой.

В зоне насыщения распространены грунтовые и межпластовые напорные или безнапорные подземные воды.

Взаимоотношения и связи верховодки, грунтовых и напорных вод могут быть самыми разнообразными, что зависит от геолого-структурных, геоморфологических, тектонических, литологи-ческих, климатических и других факторов и условий. Общая схема их взаимного расположения в разрезе показана на рис.ниже.

Верховодка — это горизонт, который формируется за счет не-больших скоплений в зоне аэрации вод временного, сезонного ха-рактера, имеющих гидравлическую связь с почвенными водами и залегающих на невыдержанных водонепроницаемых и слабопро-ницаемых слоях вблизи поверхности земли. Зимой она промерзает, а летом пересыхает. Верховодка всегда усложняет инженерно-гео-логические условия строительства, поскольку может быть не заме-чена при изысканиях. Иногда режим верховодки характеризуется относительной устойчивостью, и тогда ее воды используются для местного водоснабжения (например, в Тульской, Калужской и Смоленской областях используются воды, содержащиеся в пок-ровных суглинках водоразделов).

Схема соотношения верховодки, грунтовых и напорных вод

1 — верховодка; 2 — грунтовые воды; 3 — напорные воды; УВ — уровень верховодки; УГВ — уровень грунтовых вод; ПУНВ — пьезометрический уровень напорных вод; стрелками показано направление движения подземных вод

Возникают верховодки вследствие просачивания с поверхности атмосферных осадков, поверхностных и оросительных вод и на-копления их на линзах и прослойках слабопроницаемых пород, иг-рающих роль местных водоупоров. Верховодки обычно залегают неглубоко и расположены в разрезе выше постоянных горизонтов грунтовых вод. Их воды расходуются в основном на испарение, транспирацию и питание грунтовых вод.

Особенности верховодки как своеобразного типа подземных вод:

• расположение в пределах пород зоны аэрации;
• временный характер, сезонность (обычно в периоды интенсив-ного выпадения атмосферных осадков и утечек воды из раз-личных систем);
• ограниченность распространения (локальный характер пред-определяется локальным распространением водоупоров);
• резкая зависимость ее запасов, режима и качества от климати-ческих условий и хозяйственной деятельности человека;
• легкая загрязняемость и непригодность для постоянного водо-снабжения.

Накопление верховодки происходит весной при оттаивании почвы и уменьшении мерзлого слоя; осенью — после периода дли-тельных дождей. Необходимым условием задержания влаги в по-родах должно быть переслаивание проницаемых и слабопроница-емых пород. Например, погребенные горизонты почв должны зале-гать в толще лёссов, линзы размытой глинистой морены — среди флювиогляциальных песчаных отложений, линзы и карманы суг-линистых отложений — среди аллювиальных песков и т.д.

Обычно верховодка встречается в суглинках и лёссовидных от-ложениях на водораздельных плато. В районах распространения многолетней мерзлоты верховодка (воды сезонно-талого слоя) весьма своеобразна и широко распространена. Воды верховодки не имеют связи с реками. Уровень ее характеризуется крайней из-менчивостью. В районах больших городов эти воды легко загрязня-ются. Для гидротехнического и гражданского строительства ее при-сутствие неблагоприятно.

По химическому составу воды верховодки неодинаковы: прес-ные и слабоминерализованные с повышенным содержанием крем- некислоты, органического вещества и железа в северных районах и обычно минерализованные в южных районах (из-за испарения). При бурении скважин для целей водоснабжения верховодку необ-ходимо тщательно изолировать при помощи обсадных труб во из-бежание загрязнения ею лежащих ниже водоносных горизонтов.

Грунтовые воды. К грунтовым водам относятся подземные воды первого от поверхности постоянно действующего водоносного го-ризонта, залегающего на относительно выдержанном водоупоре и имеющего свободную поверхность.

Сверху грунтовые воды обычно не перекрыты водоупорными отложениями, поэтому они имеют тесную связь с атмосферой и давление на их поверхности равно атмосферному давлению, т.е. поверхность фунтовых вод при вскрытии их скважинами уста-навливается в них на той глубине, где они были встречены. Не-редко поэтому грунтовые воды называют безнапорными (в отличие от напорных, имеющих избыточный напор над перекрывающей их водоупорной кровлей).

Условия залегания грунтовых вод на первом от поверхности вы-держанном водоупоре предопределяют особенности их питания, распространения, движения и разгрузки. Области питания и рас-пространения грунтовых вод совпадают, т.е. их питание через зону аэрации осуществляется по всей площади их распространения. По-этому расход потока грунтовых вод является величиной переменной (как правило, увеличивается по пути их движения). Основными ис-точниками питания грунтовых вод являются атмосферные осадки, поверхностные и конденсационные воды. Грунтовые воды имеют тесную гидравлическую связь с поверхностными водотоками и во-доемами и в зависимости от соотношения их уровней либо разгру-жаются в них (дренируются), обеспечивая их подземное питание, либо питаются поверхностными водами (особенно при подпорах и в паводки). При изменении уровня воды в поверхностных водо-емах изменяется уровень в гидравлически с ними взаимосвязанных горизонтах фунтовых вод.

Различные соотношения между поверхностными и грунтовыми водами

а — связь между водами отсутствует; б — река питает грунтовые воды; в — грун-товые воды питают реку; г — один берег реки питает грунтовые воды, а другой — дренирует. Стрелками показно направление движения вод, пунктиром — уровень

Характерна также тесная зависимость режима уровней, качества и количества грунтовых вод от климатических факторов, процессов, протекающих в зоне аэрации, и инженерной деятельности человека (повышение уровней и запасов в дождливое время и понижение их в засуху, ухудшение качества вод при инфильтрации сточных вод).

Грунтовые воды разгружаются в виде источников, пластовых выходов, мочажин в местные понижения и поверхностные водо-токи и водоемы. При залегании близко к поверхности (0-4 м) они могут разгружаться путем испарения через зону капиллярной каймы. На отдельных участках возможна гидравлическая взаимо-связь грунтовых вод с лежащими ниже напорными водами через
отдельные литологические окна и участки размыва разделяющих их водоупорных толщ. При этом в зависимости от соотношения уровней взаимосвязанных горизонтов будет происходить либо пи-тание, либо разгрузка грунтовых вод.
Грунтовые воды движутся от мест с их более высоким уровнем к местам с их пониженным уровнем, обычно от участков с повы-шенным рельефом и водоразделов в сторону местных понижений, оврагов, балок и речных долин. Разгружаются грунтовые воды в этих понижениях обычно в виде нисходящих источников. По-верхность грунтовых вод (зеркало), как правило, в несколько сгла-женном виде соответствует рельефу местности. При этом гидравли-ческие уклоны поверхности грунтовых вод обычно невелики и со-ставляют в среднем 0,05—0,001. На отдельных участках уровень грунтовых вод может быть практически горизонтальным, что сви-детельствует о незначительной скорости их фильтрации либо о полном ее отсутствии.

Наглядное представление об условиях распространения и дви-жения грунтовых вод дает карта гидроизогипс , на которой показано положение поверхности грунтовых вод в изолиниях, соединяющих точки с одинаковыми отметками уровня подземных вод. Строят такую карту аналогично карте рельефа земной поверхности в гори-зонталях, используя результаты единовременных замеров уровня грунтовых вод во всех имеющихся скважинах, колодцах и в их есте-ственных выходах.

Если наблюдается резкое изменение уровня грунтовых вод в различные периоды, то карты гидроизогипс составляют на эти ха-рактерные периоды и даты (например, когда уровень грунтовых вод бывает максимальным и минимальным). Для получения данных об изменении данного уровня проводят специальные наблюдения их режима (так называемые режимные наблюдения).

Карта гидроизогипс позволяет определять:

• направление движения грунтовых вод (по нормалям к гидроизо-гипсам);
• гидравлические уклоны и скорость фильтрации;
• глубину залегания грунтовых вод (по разности отметок горизон-талей поверхности Земли и гидроизогипс водной поверхности);
• характер взаимосвязи грунтовых вод с поверхностными (по ха-рактеру сопряжения гидроизогипс с поверхностными водоемами и направлению движения подземных вод)

и решать другие практические задачи.

Нередко на основе карты гидроизогипс составляют карту глу-бины залегания грунтовых вод (в изолиниях равных глубин или с вы-делением зон определенной глубины залегания грунтовых вод).

Такие карты широко используют при бурении скважин для целей водоснабжения, орошения и осушения.

Грунтовые воды распространены повсеместно там, где темпера-турные условия верхней части литосферы допускают их накопление и существование в жидкой фазе. Изучение условий их формиро-вания и распространения показало, что существуют определенные закономерности зонального распределения различных по проис-хождению типов грунтовых вод.

Грунтовые воды имеют большое народнохозяйственное зна-чение: их широко используют для целей хозяйственно-питьевого и сельскохозяйственного водоснабжения и орошения. Основными типами широко используемых грунтовых вод являются грунтовые воды речных долин, ледниковых отложений, степей, полупустынь и пустынь, конусов выноса и предгорных наклонных равнин, горных районов, песчаных морских побережий.

В гидрогеологии определение грунтовых вод часто дается по С.Н. Никитину, который к этой категории относит только воды первого от поверхности земли выдержанного горизонта подземных вод, залегающего на водоупоре.

Разновидности подземных вод, залегающих вблизи поверхности земли под невыдержанным водоупором, называют водами меж- пластовыми, закрытыми или подземными (например, подземные воды предгорных конусов выноса или ледниковых отложений).

Особенности грунтовых вод следующие:

• залегание вблизи поверхности земли в рыхлых отложениях из-менчивой мощности, преимущественно четвертичного возраста, дренируемых реками или вскрываемых эрозионной сетью;
• если пласт первый от поверхности и не полностью насыщен водой, то воды ненапорные, а если пласт перекрыт невыдержан-ными по мощности слоями разной проницаемости, то воды обычно напорные;
• область питания совпадает с областью распространения, и пи-тание происходит за счет инфильтрации атмосферных осадков и снеговых вод; фильтрации из рек, озер и каналов; конден-сации водяных паров и внутри грунтового испарения; подтока (подпитывания) из более глубоких водоносных горизонтов;
• глубина залегания уровня, температура, минерализация и расход грунтовых вод подвержены систематическим суточным, ме-сячным, годовым и многолетним колебаниям;
• подземный сток грунтовых вод обычно направлен от водораз-делов к речным долинам, где осуществляется их разгрузка в реки;
• режим грунтовых вод (инфильтрация и боковой приток, отток и испарение, а также баланс, условия формирования и стока)
  обычно тесно связан с современным климатом, рельефом и по-верхностными водами.

Межпластовые безнапорные воды . Эти воды, как и грунтовые, имеют свободную поверхность, давление на которой равно атмос-ферному, но залегают они обычно между двумя водоупорными тол-щами.

Из-за этого межпластовые воды питаются на ограниченных участках (в областях выхода водовмещающих отложений на поверх-ность, на участках их взаимосвязи с поверхностными водотоками и напорными водами) и находятся в более благоприятных сани-тарных условиях, чем незащищенные с поверхности фунтовые воды.

В периоды интенсивного выпадения осадков и половодий уровни межпластовых вод могут повышаться вплоть до появления избыточных напоров над перекрывающей их водоупорной кровлей, тогда межпластовые безнапорные воды могут становиться напор-ными водами .

Таким образом, межпластовые безнапорные воды являются как бы промежуточным типом подземных вод — по гидравлическому характеру они безнапорные и аналогичны грунтовым водам, однако по условиям залегания близки к напорным водам.

Артезианские воды и бассейны . Под Парижем, в предместье Артуа, в 1126 г. неожиданно при бурении скважин были вскрыты фонта-нирующие воды, которые получили название артезианских вод. В первое время артезианскими водами называли только воды, фон-танирующие выше поверхности земли, — «водометы», позднее этим понятием стали объединять все межпластовые напорные воды, залегающие в тектонических структурах, вогнутых или наклонных пластах, поднимающиеся над кровлей пласта в стволе скважины.

Для образования артезианских вод необходимы следующие условия:

• обилие атмосферных осадков в области питания, т.е. приурочен-ность ее к поясу избыточного увлажнения;
• породы области питания должны выходить на поверхность выше пунктов заложения скважин, т.е. необходимы наклон и изогну-тость пластов, обусловливающие гидравлический, артезианский напор;
• оптимальные возможности водопоглощения, наличие хорошо проницаемых почв, в зоне аэрации — малое количество и не-большая мощность глинистых водоупорных горизонтов и толщ;
• наличие в области распространения или напора выдержанной глинистой кровли;
• высокая пористость, трещиноватость и водопроницаемость во-довмещающих пород.

Грунтовые и межпластовые ненапорные воды

1 — грунтовые воды; 2 — межпластовые ненапорные воды; 3 — разгрузка грун¬товых вод в виде источников; W — инфильтрационное питание; УГВ — уровень грунтовых вод; УМНВ — уровень межпластовых ненапорных вод

Отличительная черта артезианских вод — это наличие избыточ-ного напора над поверхностью кровли водосодержащего пласта. При вскрытии напорных вод горными выработками их уровень под действием избыточного напора поднимается и устанавливается выше водоупорной кровли, соответственно положению пьезометрической поверхности напорного водоносного горизонта.

Схема артезианского бассейна

а — область питания; б — область напора; в — область разгрузки; г — область воз-можного самоизлива напорных вод; 1,2 — пьезометрический уровень напорных вод первого горизонта; 3 — восходящий источник; 4 — участок возможной гидрав-лической взаимосвязи напорных горизонтов (гидрогеологическое «окно»); 5 — на-порные водоносные горизонты

Величину напора обычно определяют по положению пьезомет-рического уровня водоносного горизонта относительно горизон-тальной плоскости сравнения О — О. Напорные воды располо-жены, как правило, ниже горизонтов грунтовых вод и характеризу-ются своеобразными условиями залегания, распространения, питания и разгрузки. Наличие водоупорной кровли, перекрыва-ющей водоносный пласт, затрудняет питание и разгрузку напорных вод и их взаимосвязь с поверхностными водами и атмосферой.

Питание напорных водоносных горизонтов оказывается воз-можным лишь в области выхода водопроницаемого пласта на по-верхность, где создаются условия для проникновения в пласт путем инфильтрации атмосферных осадков и поверхностных вод. Как уже говорилось, эта область, имеющая меньшие размеры, чем область распространения напорных вод, называется областью питания . Она обычно расположена на наиболее высоких отметках, нередко на значительном удалении от областей распространения и раз-грузки напорных вод.

В области питания подземные воды имеют свободную поверх-ность и тесную гидравлическую взаимосвязь с поверхностными во-дами. Область, в пределах которой подземные воды имеют избы-точный над перекрывающей их водоупорной кровлей напор, назы-вается областью напора (или областью распространения напорных вод). В этой области подземные воды, как правило, не получают питания по пути их движения (так как они изолированы в разрезе водоупорами) и расход их не изменяется. На отдельных участках возможен самоизлив напорных вод при вскрытии их скважинами там, где отметки пьезометрического уровня превышают отметки земной поверхности.

Разгрузка напорных вод происходит в области их выхода на по-верхность (на пониженных по сравнению с областью питания участках), а также на участках естественного (реки, овраги, балки и т.п.) и искусственного (скважины, колодцы, шахты, карьеры и т.п.) вскрытия напорных вод.

В естественных условиях напорные воды, разгружаясь, образуют восходящие источники, ключи, грифоны и т.п., питают реки и другие поверхностные водоемы. Движутся напорные воды в на-правлении от областей питания к областям разгрузки. Интенсив-ность их движения уменьшается по мере увеличения глубины и удаления от областей питания.

Положение пьезометрической поверхности напорных вод ха-рактеризуется картой пьезоизогипс (гидроизопьез), которая состав-ляется аналогично карте гидроизогипс грунтовых вод и представ-ляет собой систему изолиний, соединяющих точки с одинаковыми отметками пьезометрического уровня. На карты пьезоизогипс на-носят также изолинии отметок поверхности кровли и подошвы рас-сматриваемого напорного горизонта, что облегчает решение многих практических задач. Например, по карте пьезоизогипс определяют направления движения напорных вод, гидравлические уклоны, на-поры, участки возможного самоизлива вод. Если известны мощ-ность напорного горизонта и его фильтрационные свойства, то можно определить скорость фильтрации подземных вод и расход потока.

Напорные воды, изолированные от атмосферы (связь имеется лишь в области питания и разгрузки), характеризуются меньшей зависимостью их режима от климатических факторов, относи-тельным постоянством уровней температуры и химического со-става, меньшей загрязненностью и лучшим санитарным качеством воды. Поэтому их можно использовать для различных видов водо-снабжения (хозяйственно-питьевого, производственно-техничес-кого, лечебно-питьевого, термального и др.) и орошения. При экс-плуатации высоконапорных вод, находящихся в пластах под значи-тельным давлением, большое практическое значение имеют их упругие запасы, высвобождающиеся из водоносных пластов при частичном снятии давления благодаря разуплотнению ранее сжатых пород и воды. Несмотря на незначительную сжимаемость воды и горных пород, упругие запасы напорных вод довольно велики, так как содержащие их водонапорные системы занимают значи-тельные пространства.

В реальных природных условиях схема распространения, пи-тания и разгрузки напорных вод зависит от геолого-структурных, тектонических, литологических, климатических и других особен-ностей того или иного района. В частности, напорные воды могут питаться и разгружаться на участках, где возможна их гидравли-ческая взаимосвязь с соседними напорными и безнапорными водо-носными горизонтами через литологические гидрогеологические «окна», тектонические нарушения и участки с размывом разделя-ющих их водоупорных отложений.

Их интенсивная разгрузка возможна также на участках, где на-порные воды вскрываются карьерами, котлованами, шахтами, во-дозаборными сооружениями, а в естественных условиях — через русловые и донные отложения рек, озер, морей (скрытая разгрузка). Пласты с напорными водами могут соединяться друг с другом или выклиниваться (исчезать), что обеспечивает своеобразные условия накопления и распространения напорных вод.

Напорные воды часто называют артезианскими, а вмещающие их геологические структуры (мульды, синклинали, моноклинали, впадины и др.) — артезианскими бассейнами.

В пределах артезианского бассейна могут иметься один или не-сколько напорных водоносных горизонтов или комплексов, взаи-мосвязанных или изолированных друг от друга водоупорными от-ложениями. Положение пьезометрических поверхностей, входящих в состав бассейна напорных водоносных горизонтов, зависит от вы-сотного расположения областей их питания и разгрузки, а также от степени гидравлической взаимосвязи напорных горизонтов.

Пьезометрическая поверхность глубоко залегающих водоносных горизонтов в значительной мере определяется геостатическим дав-лением толщи вышележащих отложений. Значительно более вы-сокие давления в центральных частях бассейнов, чем в краевых, могут вызывать движение подземных вод от центральных частей к краевым, т.е. к периферийным областям питания артезианских бассейнов.

Своеобразные бассейны напорных вод встречаются в пред-горных и горных районах, где имеются моноклинальное залегание и выклинивание водовмещающих отложений, способствующие об-разованию так называемых артезианских склонов.

Схема артезианского склона

а — область питания; 6 — область напора; в — область разгрузки; 7 — свободный уровень подземных вод в области питания; 2 — пьезометрический уровень под¬земных вод в области напора; 3 — источники нисходящего и восходящего типов в области разгрузки

Формирующиеся в области питания артезианского склона под-земные воды разгружаются в виде источников восходящего и нис-ходящего типов в непосредственной близости от области питания. Напорный характер воды артезианского склона имеют в зоне их пе-рекрытия водоупорными отложениями. Гипсометрически область напора находится на более низких абсолютных отметках, чем об-ласть разгрузки. В артезианских бассейнах с интенсивным движе-нием подземных вод распространены, как правило, пресные ин- фильтрационные воды с невысокой минерализацией (зона интен-сивного водообмена) . Мощность зоны интенсивного водообмена в благоприятных условиях может составлять 1000 м и более.

В крупных артезианских бассейнах с небольшими по площади областями питания пресные воды приурочены к неглубоко залега-ющим водоносным горизонтам и комплексам. В более глубоко за-легающих горизонтах, не охваченных интенсивным водообменом, широко распространены минерализованные и высокоминерализо-ванные подземные воды различного состава (гидрокарбонатно-сульфатные, сульфатные, сульфатно-хлоридные). Обычно эту зону называют зоной затрудненного водообмена.

В артезианских бассейнах с неблагоприятными условиями водо-обмена (незначительная разница в высотном положении областей питания и разгрузки, глубокое залегание и широкое региональное распространение напорных вод, закрытый характер водовмеща-ющих структур и т.д.) ниже этой зоны находится зона весьма за-трудненного водообмена , в пределах которой в водоносных гори-зонтах сохраняются седиментационные древние воды (воды мор-ского происхождения). Таким образом, для артезианских бассейнов характерны определенные гидродинамическая и гидрохимическая зональности. Наличие и мощность каждой из зон и их взаимное расположение зависят от конкретных условий бассейна и совокуп-ности факторов, определяющих формирование, накопление, дви-жение и расходование подземных вод.

Напорные воды артезианских бассейнов имеют большое прак-тическое значение не только как источник водоснабжения. В зави-симости от их химического и газового состава, наличия в них био-логически активных и промышленных микрокомпонентов, их тем-пературы и других показателей напорные подземные воды широко используют в курортно-санаторном деле (минеральные воды), для промышленного извлечения солей и ценных микрокомпонентов (промышленные воды), для целей теплофикации, теплоэнергетики и теплично-парникового хозяйства (термальные воды). Примерами крупных артезианских бассейнов платформенного типа являются Западно-Сибирский, Московский, Прибалтийский, Днепровско- Донецкий и др.

Поровые воды — это воды, которые насыщают пористые породы (галечники, пески, слабо сцементированные песчаники, супеси, суглинки и т.п.). Количество воды, которое можно извлечь из таких пород в единицу времени, т.е. их дебит, зависит от гранулометри-ческого состава, структуры и типа пористости породы, которые определяют скорость подтока воды к колодцу или скважине. Чем больше пор в горных породах, тем быстрее откачивается из им* вода, так как ее движение происходит свободнее. Скорость дни жения подземного потока обычно достигает в лёссе и суглинистыч породах 0,1—0,3 м/сут, в супесях и мелкозернистых песках — 0,5—1,0 м/сут, в грубозернистых песках и мелком галечнике — от 1,5 до 10 м/сут.

В истории развития гидрогеологии были предложены самые различные классификации подземных вод. Здесь принципиально важным различием является выделение классификационных признаков. С этой точки зрения все классификации можно условно разделить на общие, химические и частные, Общие охватывают глобальные условия деятельности подземных вод или сочетают в себе много классификационных признаков. Другими словами, они представляют собой сочетание признаков, дающих некоторую закономерную общность жизни подземных вод. Примерами таких классификаций являются классификации А.М. Овчинникова и Ф.П. Саваренского по условиям залегания и режиму подземных вод.

Частные классификации систематизируют подземные воды по одному или нескольким признакам, то есть представляют частные случаи деятельности подземных вод. К таким можно отнести классификации Б.Л. Личкова, О.К. Ланге, А.М. Жирмунского, А.А. Козырева и многих других. Сюда относятся классификации Н.И. Толстихина подземных вод криолитозоны, А.Н. Токарева – радиоактивных подземных вод и др.

Наиболее употребительными в практике являются классификации Ф.П. Саваренского и А.М. Овчинникова, которые имеют много общих черт, и которые положены в основу дальнейшего рассмотрения подземных вод.

15.1. Понятие режима подземных вод

Режим подземных вод – это закономерные во времени изменения, которые происходят в водоносном горизонте как эпизодические, суточные, сезонные, годовые, многолетние и вековые колебания в связи с метеорологическими и геологическими процессами. Понятие о режиме подземных вод охватывает все стороны их деятельности и свойств: температура, физическое состояние, характер водообмена, уровень (напор), дебит, химический и газовый состав и др. Режим подземных вод может быть весьма непостоянным (верховодка), непостоянным, зависящим от эпизодических климатических факторов (верхние горизонты грунтовых вод), постоянным (нижние горизонты грунтовых вод), весьма постоянным (артезианские воды).

15.2 Классификация подземных вод а.М. Овчинникова и ее сущность

По условиям залегания и режиму А.М. Овчинников выделил типы, подтипы и разновидности вод:

воды зоны аэрации – верховодка (разновидности: почвенные, болотные и подвешенные в зоне аэрации);

грунтовые воды с различными подтипами;

артезианские воды.

В качестве особых типов им выделены воды районов вечной мерзлоты и воды районов молодого вулканизма. На основе этой классификации строится дальнейшее рассмотрение подземных вод, а при их характеристике используются также классификации Ф.П. Саваренского, Н.И. Толстихина, Г.В. Богомолова и др.

15.2.1 Воды зоны аэрации – верховодка (почвенные, болотные, подвешенные на линзах водоупорных пород в зоне аэрации)

Рис. 23. Гидрогеологический разрез зоны аэрации и верхней части зоны насыщения.

Условные обозначения:

В - зона аэрации (верховодка), Г - зона насыщения (грунтовые воды)

УГВ - уровень грунтовых вод.

Это – воды, наиболее близко залегающие к дневной поверхности. Режим их крайне непостоянен и всецело определяется гидрометеорологическими условиями. В засушливое время они часто исчезают. Верховодка может формироваться как в пористых рыхлых отложениях, так и в верхней части коры выветривания скальных трещиноватых пород. Располагается там, где происходят процессы просачивания атмосферной влаги через зону аэрации (рис.23). Чаще всего она приурочена к линзам водонепроницаемых пород, т. е. как бы «подвешена». Она может постепенно растекаться по краям линзы и питать грунтовые воды. Часть верховодки или даже вся, может быть израсходована на испарение. Обычно это маломинерализованные воды, в большинстве случаев имеют слабокислую реакцию. Может содержать органические вещества, Fe, H 2 SiO 2 . Легко загрязняется. В южных районах, с признаками аридного климата верховодка может быть высокоминерализованной хлоридной натриевой водой, из которой в бессточных впадинах происходит выпадение солей. Обычно редко используется для водоснабжения в силу непостоянного режима и загрязнения. В сельской местности, если верховодка залегает глубоко, используется для питья и поливов. Сохранению запасов в этом случае способствуют посадки леса, создание водоупорных перемычек и др. Разновидностями верховодки являются почвенные воды, болотные воды, подвешенные (собственно верховодка) и воды дюн.

Почвенные воды.

залегают в почвах. Почвенный слой является важной хотя и очень тонкой пленкой земной коры, в которой происходят жизненно-важные процессы. Роль воды в этих процессах огромна. Но нельзя путать ее с пленочной и капиллярной водой. Это – гравитационная вода, которая участвует в питании корневой системы растений. Почвенные воды, просачиваясь, питают грунтовые воды. Основным источником питания почвенных вод являются атмосферные осадки. Они оказывают двоякое влияние на плодородие почв – улучшение или ухудшение (оглеение, солонцевание и др.). Отсюда для оценки гидрогеологических условий большое значение имеет изучение типов почв и их состояния. Изменение влажности почвенного слоя во времени – гидроизоплеты – линии одинаковой влажности (в мм или %). Почвенный слой состоит из горизонта А (элювиальный) и В (иллювиальный) и подгоризонтов. Выделяются 8 типов почв: 1) подзолистые, 2) черноземные, 3) светлокаштановые и бурые, 4) заболоченные, 5) солонцы, 6) сероземы и солончаки, 7) слабо развитые почвы, 8) латериты и красноземы.

Болотные воды.

С одной стороны они тесно связаны с поверхностными водами, с другой - неразрывно с верховодкой. Болото – увлажненный участок поверхности, покрытый слоем торфа 20-30 см, а если менее или торф отсутствует, то заболоченные земли.

Возникновение болот связано с различными причинами (выходы грунтовых вод и слабый дренаж, ровная поверхность и непроницаемые породы в верхней части геологического разреза).

Болота могут быть:

1) низинные, питающиеся атмосферными и грунтовыми водами;

2) верховые (сфагновые), питающиеся преимущественно атмосферными осадками;

3) смешанные.

Выделяют еще висячие болота, которые питаются исключительно за счет грунтовых вод на пологих склонах долин.

Болотные воды обычно имеют малую минерализацию, содержат органическое вещество типа гумуса и низкомолекулярные органические кислоты. Характер растительности является хорошим показателем гидрогеологических особенностей болота. Безлесные болота – озерного происхождения, характеризуются кустарником черной клейкой ольхи могут служить показателем движения болотной воды. Сосны развиваются на плотном торфяном основании и на мощной чисто торфяной залежи (бывшего верхового болота). Коэффициент фильтрации торфяной залежи зависят от степени разложения торфа и колеблется от 0,45 м/сутки в сильно разложенных до 0,85-4,5 м/сутки в слабо разложенных. Фильтрация через нижние, сильно уплотненные слои торфа ничтожна. Сток значительно увеличивается при наличии рек, дренажных каналов и протоков.

Воды, подвешенные на линзах водоупорных пород в зоне аэрации.

Эти воды обычно называют «собственно верховодка». Они изображены на рис. 23. Остальные характеристики те же, что и у других разновидностей.

15.2.2. Воды зоны насыщения. Грунтовые воды

Грунтовые воды – это свободные гравитационные воды первых от поверхности земли постоянно существующих водоносных горизонтов, заключенных в рыхлых отложениях или в верхней части коренных пород. Грунтовые воды могут быть и безнапорными и иметь напор. Область питания их, как правило, совпадает с областью распространения (рис.24). Грунтовые воды связаны с атмосферной влагой, с поверхностными водами и верховодкой. Но поскольку они залегают уже на более значительных глубинах – до нескольких десятков метров, распределение их не всегда отражает географическую зональность и подчиняется особой, гидрогеологической зональности. В настоящее время под грунтовыми водами понимается не только первый от поверхности водоносный горизонт, а их серия или «водоносный комплекс», находящийся в зоне активного водообмена, т.е. в различной степени дренируемый гидрогеографической сетью. Режим этих вод находится под непосредственным влиянием гидрометеорологических факторов и характеризуется сезонными колебаниями уровня, дебита и химического состава. По возрасту грунтовые воды являются современными образованиями, формируются на междуречных массивах, в аллювиальных отложениях речных долин, в предгорных конусах выноса. Известны и довольно широко распространены более мощные бассейны грунтовых вод, приуроченные к древним погребенным долинам, к песчано-галечниковым отложениям морен и ледниковых рек, к лавовым потокам и т.д.

По А. М. Овчинникову в зависимости от условий залегания грунтовых вод следует различать грунтовый поток и грунтовый бассейн , которые могут находиться в сложных комбинациях между собой (рис. 25).

Рисунок 25. Схема строения грунтового потока (а) и грунтового бассейна в сочетании с грунтовым потоком (б): 1 - водопроницаемые пески; 2 - водоупорные породы; 3 - уровень грунтовых вод; 4 - направление движения воды; 5 - источник грунтовых вод.

Границы бассейна грунтовых вод определяются площадью распространения и степенью эрозионного расчленения отложений, благоприятных для скопления воды. Глубиной эрозионного расчленения обусловливается также глубина залегания и форма поверхности грунтовых вод. Эту поверхность для первого горизонта принято называть «зеркалом» грунтовых вод. На карте она изображается гидроизогипсами – линиями одинаковых высот поверхности грунтовых вод, над условной нулевой плоскостью для каждого водоносного горизонта.

Водонепроницаемая порода, подстилающая грунтовые воды, называется водоупорным ложем или подошвой. В случае, когда воды перекрываются глинистым водоупором, последний называется кровлей водоносного горизонта.

Мощность водоносных горизонтов – вертикальное расстояние от водоупорного ложа до поверхности грунтовых вод или кровли.

Хотя поверхность грунтовых вод и соответствует до некоторой степени рельефу земной поверхности, водораздел грунтовых вод не всегда совпадает с поверхностным.

Поверхность грунтовых вод может менять свой уклон под влиянием изменения фильтрационных свойств пород. Рассмотрим такую возможность исходя из уравнения Дарси для единичного расхода грунтового потока:

где Q – расход на 1 м потока, h – мощность грунтового потока

то есть при постоянном расходе уклон поверхности грунтовых вод обратно пропорционален коэффициенту фильтрации пород и мощности грунтового потока.

Условия питания и режим грунтовых вод .

Грунтовые воды могут иметь следующие источники питания:

Инфильтрация атмосферных осадков, которые или прямо проникают чрез зону аэрации до грунтовых вод, или увлажняют почвенный слой до появления гравитационных вод. Последние могут попадать на поверхность подвешенных капиллярных вод. Уровень грунтовых вод при этом повышается, особенно в низинных местах, где инфильтрация происходит более интенсивно.

Инфильтрация вод рек, озер и других поверхностных водотоков и водоемов в паводковые периоды. В межень, наоборот, они питают грунтовые воды. Взаимоотношение поверхностных и грунтовых вод разнообразно, что можно видеть на рисунке 26 (а, б, в, г, д).

Рис. 24. Область питания грунтовых вод: 1 - песок; 2 - песок водоносный; 3 - глина; 4 - кривая депрессии; 5 - родник нисходящий.

Подпитывание грунтовых вод за счет более глубоко залегающих подземных вод (рис.32), что может быть установлено путем тщательного анализа гидрогеологических условий. Особенно помогают гидрогеохимические данные, так как микрокомпонентный состав - более чуткий индикатор и более дифференцированный в различных типах вод.

Режим грунтовых вод зависит от положения района в определенной географической зоне. В равнинных областях хорошо выделяются типы режима вод, связанные с влажным и засушливым климатами и с наличием многолетней мерзлоты. В горных районах имеет место хорошо выраженная зональность режима вод: при ледниковом питании наблюдаются летние максимумы, связанные с таянием льда, при снеговом - весенние.

Рисунок 26. Различные случаи соотношения грунтовых и речных вод в периоды паводков:а - река дренирует горизонт грунтовых вод; б - река всегда питает грунтовые воды; в - гидравлическая связь между грунтовыми и поверхностными водами отсутствует даже в паводки; г - гидравлическая связь между грунтовыми и поверхностными водами отсутствует только в период низкого уровня в реке; д - река влияет на уровень грунтовых вод только в узкой приречной полосе; 1 - водопроницаемые породы; 2 - водоупорные породы; 3 - уровень грунтовых вод.

Г.Н. Каменский выделяет два основных типа режима грунтовых вод:

1. Водораздельный тип, характерный для участков, удаленных от рек и других поверхностных водоемов и подземных вод, не имеющих гидравлической связи с водами поверхностных водотоков и водоемов в связи с перекрытием водоупорными породами.

2. Прибрежный тип, свойственный грунтовым водам прибрежных участков при наличии гидравлической связи с водами рек и других водоемов. По мере удаления влияние их затухает, и режим переходит в водораздельный.

Имеются и смешанные типы режима грунтовых вод, среди которых можно выделить три подтипа:

грунтовые воды безнапорные неглубокого залегания при весьма небольшой зоне аэрации; 2)грунтовые безнапорные воды глубокого залегания с мощной зоной аэрации; 3)напорные грунтовые воды.

Для водораздельного типа в режиме первого подтипа важное значение имеют резкие эпизодические колебания уровня вод, во втором – сезонные. В общем случае прибрежный режим отражает тип режима реки. Здесь виден подъем уровня в весеннее половодье (паводок) и снижение летом (летняя межень), небольшой подъем осенью и зимняя межень.

15.2.3. Зональность грунтовых вод

Идея зональности грунтовых вод принадлежит В.В. Докучаеву. Его ученик П.В. Отоцкий (1914) обратил внимание на общую закономерность залегания грунтовых вод: « По мере движения на юг грунтовые воды углубляются и минерализуются».

Рассмотрим схему зональности грунтовых вод В.С. Ильина, который сделал первую попытку выделить зональные и азональные грунтовые воды в Европейской части России и нанести их на карту. Он выделил 7 зон грунтовых вод и 6 типов азональных грунтовых вод. Последние не связаны с определенными зонами и могут переходить из одной зоны в другую.

Зональные грунтовые воды.

Зона тундровых вод

Зона высоких вод севера

Зона неглубоких оврагов с водами, залегающими на глубине 20-25 м.

Зона глубоких оврагов с водами повышенной минерализации, залегающими на глубине 20-25 м.

Зона овражно – балочная с водами жесткими или солоноватыми.

Зона Причерноморских балок с очень глубоким залеганием вод.

Зона Прикаспийских балок, где в отличие от предыдущей зоны, существуют области с неглубоким залеганием вод; воды часто обладают высокой минерализацией.

В дальнейшем появились ряд схем регионального плана. Для Западной Сибири такую схему составил Ю.К.Смоленков. Она будет рассмотрена в курсе «Региональная гидрогеология».

Азональные грунтовые воды.

1. Воды областей конечных морен.

2. Трещинные воды в массивных породах и продуктах их разрушения на Кольском полуострове, Урале и Южно-Русской кристаллической гряде.

3. Карстовые воды

4. Болотные воды, т.е. воды тех областей, в которых уровень грунтовых вод находится в прямой зависимости от уровня вод в болотах и почти не подвергается колебаниям.

5. Воды аллювиальных и флювио-гляциальных отложений.

6. Воды солончаков.

При оценке гидрогеологических условий всей территории РФ с точки зрения распространения вод О.К. Ланге в схеме В.С. Ильина и выделяет три резко обособленные провинции зональных грунтовых вод:

провинцию вечной мерзлоты, которая характеризуется отрицательными среднегодовыми температурами;

провинцию с высокой влажностью воздуха, положительными среднегодовыми температурами;

провинцию с высокой сухостью воздуха и большой амплитудой колебания температур.

Карту гидрохимических зон грунтовых вод для Европейской части РФ составил И.В. Гармонов. Он выделил (с севера на юг): зону гидрокарбонатно-кремнеземных вод; зону гидрокарбонатных кальциевых вод; зону преобладания сульфатных и хлоридных вод; подзону континентального засоления; зону гидрокарбонатных кальциевых вод горных областей Крыма и Кавказа.

Наиболее употребительной является схема зональности грунтовых вод, предложенная Г.Н. Каменским для всей территории РФ. Он выделил две провинции, в которых развиты соответственно два генетических типа вод:

Воды провинции выщелачивания

Воды провинции континентального засоления

Кроме того, им выделены отдельные участки вод континентального засоления среди вод выщелачивания, а также горные районы с развитием преимущественно вод выщелачивания.

Формирование вод выщелачивания происходит в условиях избыточного увлажнения, т.е. преобладания стока над испарением в условиях хорошего дренажа. Химический состав формируется под влиянием процесса выщелачивания почв и горных пород при почвообразовании и выветривании.

Формирование вод континентального засоления происходит при малом количестве атмосферных осадков, интенсивном испарении и отсутствии естественного дренажа. В расходной части баланса грунтовых вод здесь преобладает испарение, которое способствует образованию восходящих капиллярных токов. Химический состав вод континентального засоления формируется в процессах стока, когда дождевая и талая воды смывают накопившиеся на поверхности засоленных почв соли (выцветы солей). Засоление вод происходит при высыхании временных водоемов, при испарении воды с поверхности почвы и транспирации ее растениями, при испарении грунтовых вод путем капиллярного поднятия. В зоне грунтовых вод континентального засоления сильно сказывается влияние геоморфологических факторов и состава водосодержащих пород. Соленые воды распространены преимущественно в низинных местах, а на водоразделах, являющихся областями питания, развиты пресные воды. По мере приближения к подножию склонов и в широкие балки минерализация вод повышается, в балках и долинах встречаются сильно минерализованные соленые грунтовые воды, сопровождающиеся солончаками.

15.2.4. Основные разновидности грунтовых вод

В соответствии с классификацией А.М. Овчинникова наиболее характерными разновидностями грунтовых вод для территории РФ являются воды:

аллювиальных отложений

ледниковых отложений

южных внеледниковых областей

горных областей.

Грунтовые воды аллювиальных отложений.

Распространены в древних и современных отложениях речных долин (рис.27). Они имеют большое народно-хозяйственное значение, т.к. широко используются для водоснабжения населенных пунктов. Аллювиальные воды играют существенную роль в речном стоке.

Различие в скоростях течения воды в русле в половодье и в межень обусловливает слоистое распределение осадочного материала по крупности зерен. Участки накопления пойменных отложений отличаются от накопления русловых (в первом – илистые, во втором - песчанистые).

Разнообразие состава аллювиальных отложений обусловлено режимом осадконакопления аллювия, который зависит во многом от колебания базиса эрозии. Колебания базиса эрозии реки часто приводят к образованию переуглубленных участков коренного ложа долины, заполненных аллювиальными отложениями (рис. 28). Причиной могут служить мягкие, легко разрушаемые породы (известняки, гипс, соли и др.) или наличие тектонических разломов и зон дробления в коренном ложе. Такие участки требуют особого внимания, т.к. представляют значительный интерес при поисках и разведке подземных вод.

К древним погребенным долинам обычно приурочены мощные грунтовые потоки с большим расходом (десятки тысяч м 3 /сутки), что позволяет широко использовать их для водоснабжения. Режим аллювиальных вод тесно связан с режимом поверхностных водотоков. Поэтому при гидрогеологических исследованиях важно установить это взаимоотношение. Гидроизогипсы грунтовых потоков часто имеют сложную форму, зависящую от, например, дренирующей реки и от очертаний коренных берегов долины.

Рис. 27. Поперечный разрез речной длины с горизонтами грунтовых вод в водопроницаемых отложениях речных террас.

Условные обозначения:

1– песок; 2 – галечник; 3 – коренное ложе долины (изверженные породы); 4- глина; 5- суглинок.

Рис. 28 .Переуглубленные участки коренного ложа речной долины с «карманами» древних ложбин стока, заполненных грунтовыми водами.

Условные обозначения:

1 – покровные суглинки и глины; 2 –песок; 3 – глина; 4 –«карман» с грунтовыми водами; 5 – коренное ложе долины реки; 6 – речные террасы.

Инфильтрация атмосферных осадков на самых проницаемых участках или на отдельных понижениях создает «куполообразную» поверхность грунтовых потоков, выражаемую на карте замкнутыми изогипсами. Аллювиальные воды обладают напором. Области питания и распространения их иногда часто не совпадают. Они могут использоваться даже для водоснабжения крупных центров. «Подрусловые подземные реки» менее загрязнены, чем поверхностные воды, но не исключено и их загрязнение, а самоочищение вод зависит от литологического состава пород и степени техногенной нагрузки.

Грунтовые воды ледниковых отложений.

Гумидный климат (влага!), хорошие коллекторские свойства ледниковых отложений создают благоприятные предпосылки для формирования значительных запасов подземных вод. Например, Германия, расположена в области четвертичных ледниковых отложений и широко использует эти воды для водоснабжения крупных городов.

Можно выделить 2 группы отложений, характеризующихся определенными гидрогеологическими условиями:

Отложения озов – ориентированных по движению ледника нагромождений песчано-валунного материала. В северо-западной части РФ – озы вытянуты подобно дамбам среди ровной болотистой местности. В Швеции г. Упсала (близ Стокгольма) водоснабжается за счет вод озов.

Флювио-гляциальные отложения – пески, галечники; широко распространены в Германии и Польше, где наблюдается несколько гряд конечных морен, вытянутых в широтном направлении, а между ними расположены древние долины, заключающие мощные грунтовые потоки. Ширина долин от 3 до 25 км. По отдельным из них протекают такие реки как Висла, Одер, Эльба и другие.

До проведения канала имени Москвы, бассейн грунтовых вод в районе Мытищ являлся единственным источником водоснабжения столицы (так называемый «Мытищенский водопровод»), который был оборудован еще в конце 18-го века.

Грунтовые воды внеледниковых областей

Внеледниковые области включают ландшафтные зоны степей, полупустынь и пустынь. Северная полоса степей – переход от гумидного к аридному климату. Условия образования грунтовых вод здесь неблагоприятны – сильно развита дренажная система оврагов, отсутствуют леса и болота.

В полупустынях имеются участки обнаженных почв, которые как и грунты обычно засолены, много соленых озер, среди которых есть и самосадочные. В питании грунтовых вод начинают приобретать значение процессы конденсации.

По мере продвижения на юг доля инфильтрации снижается. Крупные пустыни СНГ – Кара-Кум, Кызыл-Кум и Муюн-Кум. Как правило, грунтовые воды в континентальных отложениях имеют единое зеркало.

Питание грунтовых вод пустыни Кара-Кум складываются следующим образом: фильтрация из рек – 74%, сток из Копет-Дага – около 11%, местная инфильтрация через оголенные пески – 15%.

Главная масса воды расходуется на испарение, что приводит к засолению грунтовых вод. Пресные воды в виде линз могут встречаться в барханах.

Грунтовые воды горных областей и предгорий.

Характерен высокий процент стока в расходной части баланса. У подножия хребтов, а также в межгорных впадинах и котловинах отлагаются мощные толщи галечника, вмещающие грунтовые воды. Сверху они прикрыты суглинками.

Пополнение запасов вод происходит за счет поверхностных вод, которые теряются в валунах («исчезающие реки» в «курумах» – валунном делювии).

Такая же картина наблюдается и в межгорных впадинах, которые представляют собой бессточные котловины, богатые напорными грунтовыми водами.

Рис. 29. Грунтовые воды предгорий.

15.2.5 Артезианские воды

Это воды, залегающие между водоупорными слоями в пределах довольно крупных геологических структур, и имеющие напор. При вскрытии таких водоносных горизонтов вода поднимается выше кровли водоносного пласта (горизонта) и часто изливается на поверхность или фонтанирует.

Правильное понимание формирования артезианских вод возможно только при тщательном изучении геологической структуры региона и истории ее развития.

В каждом артезианском водоносном горизонте можно выделить три основных элемента: область питания; область напора; область разгрузки (рис.11,30,31).

Гидрогеологические условия в пределах одного горизонта различны в пределах 3-х этих областей.

В области питания водоносный горизонт обычно приподнят и дренирован, поэтому воды здесь имеют свободную поверхность и принципиально не отличаются от грунтовых вод.

В области напора уровень, до которого может подняться вода, расположен выше кровли водоносного горизонта. Расстояние по вертикали от кровли водоносного горизонта до этого уровня называется напором. В случае расположения воображаемого уровня выше поверхности земли, вода изливается (фонтанирует) (рис. 11). Напорный уровень еще называют пьезометрическим, а изолинии абсолютных отметок напорного уровня, называют гидроизопьезами .

В области разгрузки артезианская вода выходит на земную поверхность в виде субаэральных, субаквальных или субмаринных источников.

При наличии нескольких водоносных горизонтов каждый их них может иметь свою пьезометрическую поверхность, которая определяется условиями питания и стока подземных вод (рис.30,31).

Рис. 30. Артезианский бассейн при обращенном рельефе.

Рис. 31. Артезианский бассейн при прямом рельефе (синклиналь).

Если скважина вскрывает два артезианских водоносных горизонта и они сообщаются, то в случае обращенного рельефа (рис.30), вода в скважине пойдет из верхнего в нижний горизонт, т.е скважина будет поглощающей. Это очень важно при решении вопросов захоронения различных промстоков.

Взаимоотношение артезианских и грунтовых вод.

При моноклинально залегающих или выклинивающихся водоносных пластов на обрамлениях горных стран формируются так называемые ассиметричные артезианские бассейны или артезианские склоны.

Артезианские структуры обычно представлены системой перемежающихся водопроницаемых и относительно водоупорных пород. Чем более выдержан водоносный пласт, чем больше площадь области разгрузки, тем водообильнее артезианский горизонт.

Если область питания велика, то наибольший объем занимают пресные воды, т.к. значительная площадь водоносных горизонтов находится в зоне интенсивного водообмена. В крупных впадинах область питания по сравнению с общей площадью распространения водоносных горизонтов невелика.

Рис. 32. Взаимоотношение артезианских и грунтовых вод (по A.M. Овчинникову):

а - питание артезианских вод грунтовыми; б - переход артезианских вод в грунтовые; в - питание грунтовых вод артезианскими. 1 - водоносные рыхлые четвертичные отложения; 2 - водоносные горизонты в коренных породах; 3 - водоупорные породы; 4 - уровень воды; 5 - направление движения воды

Подземные источники воды, в массе своей, считаются стратегическими водными ресурсами.
Водоносные слои, перемещаясь под воздействием собственной тяжести, образовывают безнапорные и напорные горизонты. Условия залегания их различны, что позволяет классифицировать их на виды: почвенные, грунтовые, межпластовые, артезианские, минеральные.

Различия подземной воды

Заполняют собой поры, трещины и все промежутки между частицами породы. Считаются временным скоплением капельных вод в поверхностной толще и не связаны с нижним водоносным горизонтом.

Образуют первый от поверхности водоупорный горизонт. Этот слой испытывает некоторые колебания, в различные сезоны, то есть, повышения уровня в весенне-осенний период и понижения в жаркое время года.

В отличие от грунтовых имеют более постоянный уровень по времени и залегают между двух упорных пластов.

Заполняя весь межпластовый горизонт, источник считается напорным и, значительно, чистым, относительно грунтовых вод.

Считаются напорными, заключенными в пластах горных пород. При вскрытии часто фонтанируют, поднимаясь выше уровня земной поверхности. Залегают на глубине 100-1000 метров.

Представляют собой воды с содержанием растворенных солей и микроэлементов, часто, лечебного характера.

Запасы подземных вод

Запасы почвенной воды напрямую зависят от пополнения их дождевыми и талыми стоками. Периоды изменения их уровня приходятся на весенний - летний и летний - осенний. В первом случае, почвенная влага испаряется на 2-4 мм/сутки, в другом случае на 0,5-2,0 мм/сутки. Их баланс существенно меняется исходя из погодных условий, в результате чего водные ресурсы увеличиваются или уменьшаются. Но, если нет серьезных атмосферных воздействий, запасы их в почвенной толще остаются неизменными. Подсчет же запасов осуществляется эмпирически.

Запасы грунтовой воды пополняются в результате просачивания верхних слоев почвенной влаги, особенно, в сезон выпадения осадков. Перетекая по насыщенным горизонтам, они находят выходы на поверхность в виде родников, пополняя и образуя ручейки, пруды, озера, и прочие наземные источники. Образуются путем инфильтрации речных, озерных вод, за счет атмосферных осадков. Пополняются и источниками, восходящими из глубоких горизонтов. Большие запасы сосредотачиваются в основаниях речных долин и предгорных площадей, трещинах неглубоких окаменевших известняков.

Кстати, есть информация, которая предрекает резкое сокращение запасов пресной воды в 2 раза, ближайшие 25 лет. Если учесть, что общие их запасы составляют 60 млн. км³, а 80 стран планеты уже испытывают дефицит влаги, то плохие предсказания, могут и сбыться.

К великому огорчению землян, запасы воды не возобновляются.

Происхождение подземной воды

Подземные воды, по условиям залегания, состоят из атмосферных осадков и конденсата влаги воздуха. Называются они почвенными или "висячими" и, не будучи подстилающими водоупорными горизонтами, играют важную роль в питании насаждений. Ниже этой зоны проявляются пласты сухих пород, содержащих, так называемую, пленочную воду. В период обильного просачивания дождей, таяния снегов, над сухими пластами образуются скопления гравитационных вод.

Грунтовые воды, будучи первыми от поверхности земли, также питаются атмосферными осадками и наземными источниками. Глубина их залегания зависит от геологических закономерностей.

Межпластовые источники залегают ниже грунтовых и находятся между водоупорными пластами. Горизонты с открытым зеркалом называются безнапорными. Водяная линза с закрытой поверхностью считается напорной и, чаще, называется артезианской.

Таким образом, происхождение подземных вод, во многом зависит и от физических свойств пород. Это могут быть пористость и скважность. Именно эти показатели и характеризуют влагоемкость и водопроницаемость пород.

Итак, две зоны - зона аэрации и насыщения обуславливают залегание подземных источников. Зоной аэрации представляет интервал от плоскости земли до плоскости грунтовых вод, называемых почвенными. К зоне насыщения относится грунтовая жила вплоть до межпластового горизонта.