Наука о подземных водах. Подземные воды — История изучения подземных вод. Что такое подземные воды

30.03.2024

Науку о подземных водах, их происхождении, условиях залегания, законах движения, физических и химических свойствах, связях с атмосферными и поверхностными водами называют гидрогеологией.

Для строителей подземные воды в одних случаях служат источником водоснабжения, а в других выступают как фактор, затрудняющий строительство. Особенно сложным является производство земляных и горных работ в условиях притока подземных вод, затапливающих котлованы, карьеры, траншеи, подземные горные выработки: шахты, штольни, туннели, галереи и т.п. Подземные воды ухудшают механические свойства рыхлых и глинистых пород могут выступать в роли агрессивной среды по отношению к строительным материалам, вызывают растворение многих горных поре (гипс, известняк и др.) с образованием пустот и т. д.

Строители должны изучать подземные воды и использовать их в производственных целях, уметь сопротивляться их негативному воздействию при строительстве и эксплуатации зданий сооружений.

Водные свойства горных пород

Горные породы по отношению к воде характеризуются следующими показателями: влагоемкостью, водоотдачей и водопроницаемостью. Показатели этих свойств используются при различных гидрогеологических расчетах.

Влагоемкостъ - способность породы вмещать и удерживать в себе воду. В том случае, когда все поры заполнены водой, порода будет находиться в состоянии полного насыщения. Влажность, отвечающая этому состоянию, называют полной влагоемкостью W n . B:

wfi.b = Л/Рек,

где п - пористость; р ск - плотность скелета породы.

Наибольшее значение W a B совпадает с величиной пористости породы. По степени влагоемкости породы подразделяют на весьма влагоемкие (торф, суглинки, глины), слабовлагоемкие (мергель, мел, рыхлые песчаники, мелкие пески, лёсс) и невлагоемкие, не удерживающие в себе воду (галечник, гравий, песок).

Водоотдача W e - способность пород, насыщенных водой, отдавать гравитационную воду в виде свободного стока. При этом считают, что физически связанная вода из пор породы не вытекает, поэтому принимают W z = W n .„ - W MMB .

Величина водоотдачи может быть выражена процентным отношением объема свободно вытекающей из породы воды к объему породы или количеством воды, вытекающей из 1 м 3 породы (удельная водоотдача). Наибольшей водоотдачей обладают крупнообломочные породы, а также пески и супеси, в которых величина W B колеблется от 25 до 43 %. Эти породы под влиянием гравитации способны отдавать почти всю имеющуюся в их порах иоду. В глинах водоотдача близка к нулю.

Водопроницаемость - способность пород пропускать гравитационную воду через поры (рыхлые породы) и трещины (плотные породы). Чем больше размер пор или чем крупнее трещины, тем выше водопроницаемость пород. Не всякая порода, которой присуща пористость, способна пропускать воду, например, глина ff: пористостью 50-60 % воду практически не пропускает.

Водопроницаемость пород (или их фильтрационные свойства) характеризуется коэффициентом фильтрации k $ (см/с, м/ч или м/сут), представляющим собой скорость движения подземной воды при гидравлическом градиенте, равном 1.

По величине kф породы разделяют на три группы: 1) водопроницаемые - &ф > 1 м/сут (галечники, гравий, песок, трещиноватые породы); 2) полупроницаемые - k li > = 1...0,001 м/сут (глинистые пески, лесс, торф, рыхлые разности песчаников, реже пористые известняки, мергели); 3) непроницаемые - & ф < 0,001 м/сут (массивные породы, глины). Непроницаемые породы принято называть водоупорами, а полупроницаемые и водопроницаемые - единым термином водопроницаемые, или водоносными, горизонтам

§ 3. Химический состав подземных вод.

Вода как агрессивная природная среда к строительным конструкциям

Все подземные воды содержат в растворенном состоянии определенное количество солей, газов, а также органических соединений.

Растворенные в воде газы (О, СО 2 , СН4, H2S и др.) обусловливают степень пригодности воды для питьевых и технических целей. Количество растворенных солей не должно превышать 1 г/л. Не допускается содержание вредных для здоровья человека химических элементов (уран, мышьяк и др.) и болезнетворных бактерий.

В подземных водах наибольшее распространение имеют хлориды, сульфаты и карбонаты. Подземные воды разделяются на пресные (до 1 г/л растворенных солей), солоноватые (от 1 до 10 г/л), соленые (10-35 г/л) и рассолы (более 35 г/л). Количество и состав солей устанавливается химическим анализом в миллиграммах на литр (мг/л) или в миллимолях на литр (ммоль/л).

Присутствие солей придает воде такие свойства, как жесткость и агрессивность.

Жесткость подземных вод обусловлена количеством растворенных в воде ионов Са 2+ и Mg 2+ и выражается в миллимолях на литр. Различают

1. общую жесткость, вызванную содержанием в воде всех солей кальция и магния: Са(НСО 3) 2 ; Mg(HCO 3) 2 , CaSO4, MgSO 4 , CaCl 2 , MgCI 2 ;

2. карбонатную, или временную , обусловленную содержанием бикарбонатов кальция и магния, удаляемых кипячением (выпадают в °садок в виде карбонатов);

3. некарбонатную, или постоянную , остающуюся в воде после устранения бикарбонатов. По общей жесткости природные воды разделяют на 5 групп:

Оценка воды Жесткость, ммол/л

Очень мягкая до 1,5

Мягкая 1.5-3,0

Умеренно мягкая 3-6

Жесткая 6-9

Очень жесткая выше 9

Жесткие воды образуют накипь в котлах, в них плохо образуется мыльная пена и т. п.

Агрессивность подземных вод выражается в разрушающем воздействии растворенных в воде солей на строительные материалы, в частности на портландцемент. В существующих нормах, оценивающих степень агрессивности воды по отношению к бетону, кроме химического состава воды, учитывается коэффициент фильтрации пород.

1. Агрессивность по содержанию бикарбонатной щелочности (агрессивность выщелачивания) определяется по величине карбонатной жесткости. Поземная вода агрессивна к бетону при карбонатной жесткости 4-2,14 ммоль/л (в зависимости от типа цемента в составе бетона),а при более высоких показателях вода становится неагрессивной.

2. Агрессивность по водородному показателю (общекислотная агрессивность) оценивается по величине рН. В пластах с высокой водопроницаемые она агрессивна при рН=6,7-7,0, а в слабопроницаемых- при рН=5

3. Агрессивность по содержанию свободной углекислоты (СО 2) (углевая агрессивность) устанавливается по содержанию диоксида углерода Различают свободную, связанную и агрессивную углекислоту.

Агр ессивная углекислота определяется экспериментально и расчетом, вода считается агрессивной при содержании углекислоты >15 ммол/л в хорошо проницаемых грунтах и >55 ммоль/л для слабоводопроницаемых грунтов.

4. Агрессивность по содержанию магнезиальных солей определяется содержанию иона Mg 2+ . В слабофильтрующих грунтах воды агрессивны при содержании магния >2000 мг/л, а в остальных грунтах > 1000мг/л.

5. Агрессивность по содержанию едких щелочей оценивается по количеству ионов К + и Na + . Воды агрессивны к бетону при содержании этих ионов >80 г/л в хорошо водопроницаемых и >50 г/л в слабопроницаемых грунтах.

6. Сульфатная агрессивность. Этот тип агрессивности определяется по содержанию ионов SО 4 2- . В высоко водопроницаемых грунтах она зависит от содержания иона С1 - . При содержании сульфат-ионов менее 250-300 мг/л во всех грунтах вода неагрессивна, во всех остальных случаях - агрессивна, даже к специальным цементам.

Агрессивность по содержанию хлоридов, сульфатов, нитратов и других солей и едких щелочей связана обычно с искусственными источниками загрязнения грунтовых вод при суммарном содержании (агрессивных ионов >10 г/л.

Агрессивность подземных вод устанавливают сопоставлением данных химических анализов воды с требованиями СНиП 2.02.11-85. Для борьбы с ней используют специальные цементы, производят гидроизоляцию подземных частей зданий и сооружений, понижают уровень грунтовых вод устройством дренажей и т. п.

4. Классификация и характеристика типов подземных вод

Подземные воды классифицируют по гидравлическому признаку - безнапорные и напорные, и по условиям залегания в земной коре-верховодка, грунтовые воды, межпластовые воды (рис. 50). Помимо этих главных типов существует еще ряд подземных вод, таких как трещинные, карстовые, минеральные и т.

Верховодка. Верховодкой называют временные скопления вод в зоне аэрации, которые располагаются над горизонтом грунтовых вод, где часть пор грунта занята воздухом. Верховодка образуется над небольшими водоупорами типа линзы глин и суглинков в песке, над прослойками более плотных пород и т. д. (рис. 50), при инфильтрации воды в период обильного снеготаяния, дождей. В остальное время вода верховодки испаряется и просачивается в нижеследующие грунтовые воды.

В целом для верховодки характерно: временный, чаще сезонный характер, небольшая площадь распространения, малая мощность и безна-порность. Залегая в пределах подземных частей зданий и сооружений (подвалы, котельные и др.), она может вызвать их подтопление, если заранее не были предусмотрены меры дренирования или гидроизоляции.

При инженерно-геологических изысканиях, проводимых в сухое время года, верховодка не всегда обнаруживается. Поэтому ее появление для строителей может быть неожиданным.

Грунтовые воды. Грунтовыми называют постоянные во времени и значительные по площади распространения горизонты подземных вод залегающие на первом от поверхности водоупоре.

1. Грунтовые воды безнапорны, имеют свободную поверхность, которая называется зеркалом (или уровень). Положение зеркала в какой-то мере отвечает рельефу данной местности. Глубина залегания уровня от поверхности различна - от 1 до 50 м и более. Водоупор, на котором лежит водоносный слой, называют водоупорным ложем, а расстояние от него до

уровня подземных вод-мощностью водоносного слоя (рис. 51).

2. Питание грунтовых вод происходит за счет атмосферных осадков,

водоемов и рек. Территория питания совпадает с площадью распространения грунтовых вод. Грунтовая вода открыта для

загрязнения различными вредными примесями.

3. Грунтовые воды образуют потоки, которые направлены в сторону уклона водоупора (рис. 51).

4. Количество, качество и глубина залегания грунтовых вод зависят

геологии местности и климатических факторов.

В практике строительства чаще всего приходится встречаться именно

грунтовыми водами. Они создают большие трудности при производстве

строительных работ (заливают котлованы, траншеи и т. д.) и мешают

нормально эксплуатировать здания и сооружения.

Межпластовыми водами называют водоносные горизонты, располагающиеся между водоупорами. Они бывают ненапорными и напорными, последние иначе называют артезианскими.

Межпластовые ненапорные воды встречаются сравнительно редко,

водоносные слои заполнены водой лишь частично (рис. 51).

Напорные (артезианские) воды связаны с залеганием водоносных

слоев под наклоном к горизонту или в виде изгиба (складки) (рис. 50

и 52). Площадь распространения напорных водоносных горизонтов называют артезианским бассейном.

Отдельные части водоносных слоев залегают на различных высотных

отметках. Это и создает напор подземных вод. Область питания, как

правило, не совпадает с площадью распространения межпластовых вод.

Напорность вод характеризует пьезометрический уровень. Он может

быть выше поверхности земли или быть ниже ее. В первом случае, выходя

через буровые скважины, вода фонтанирует, во втором - поднимается

лишь до пьезометрического уровня.

Многие артезианские бассейны, например Доно-Донецкая впадина, занимают огромные площади, содержат ряд водоносных горизонтов являются важным источником питьевой воды.

Лекция 3. ОСНОВЫ ГИДРОГЕОЛОГИИ

1. Понятие о подземных водах

2. Классификация подземных вод

3. Динамика подземных вод

4. Приток подземных вод к водозаборным сооружениям

5. Борьба с грунтовыми водами

ПОНЯТИЕ О ПОДЗЕМНЫХ ВОДАХ

ВОДА – это чудо природы, самое необходимое из существующего вещества на Земле. От воды зависит наше благополучие, сам факт существования живого на Земле. Организм человека в весовом отношении в основном состоит из воды. У новорожденного – 75%, у взрослого – 60% от массы тела.

Вода на Земном шаре находится в очень сложных взаимоотношениях с живым. Она необходима не только для поддержания жизни, она еще и продукт живого. Вода вездесуща, повсеместна и многолика.

Замечательный ученый, создатель геохимии В.И. ВЕРНАДСКИЙ писал: «Вода стоит особняком в истории нашей планеты, нет природного тела, которое могло бы сравниться с ним по влиянию на ход основных, самых грандиозных геологических процессов…»

Воды, находящиеся в верхней части ЗЕМНОЙ КОРЫ и залегающие ниже поверхности земли, называют ПОДЗЕМНЫМИ. Изучением подземных вод занимается раздел геологии – ГИДРОГЕОЛОГИЯ.

Гидрогеология – это наука о подземных водах, их происхождении, свойствах, формах залегания, характере и законах движения, режиме и запасах. Она изучает способы использования подземных вод, методы их регулирования.

ПОДЗЕМНАЯ ВОДА образует подземную ГИДРОСФЕРУ, по массе заключенной в ней воды она соизмерима с Мировым Океаном.

Практическое значение подземных вод в жизни человека огромно. Подземная вода является одним из основных существующих и перспективных источников водоснабжения, так как имеет ряд достоинств:

1. Обладает белее высоким качеством, чем поверхностные воды (волы рек, озер, водохранилищ).

2. Не требует дорогостоящей очистки.

3. Лучше защищены от поверхностных загрязнений.

4. Повсеместно распространены.

Подземные воды широко используются для водоснабжения, так в США они составляют около 20% всей потребляемой воды, в Германии – 75%, в Бельгии – 90%. В России так же используются подземные воды для центрального водоснабжения. Так в пределах Москвы и московской области пробурено примерно 1000 артезианских скважин.

Но, при эксплуатации подземных вод необходимо иметь в виду, что если расход воды из подземных емкостей идет быстрее, чем ее запасы восполняются за счет влаги, просачивающейся в земли из атмосферы, то уровень подземных вод понижается, а это часто вызывает неблагоприятные последствия.

В течение нескольких десятилетий уровень подземных вод в Москве понизился более чем на 40 м, Санкт- Петербурге – на 50 м, Киеве – на 65 м, Лондоне – более чем на 100 м, в Париже – на 120 м, в Токио – на 150 м.

Причем, если воду забирают с пластов сравнительно рыхлых пород, то это может привести к проседанию массива пород. Так, Мехико за 40 лет опустилась на 7 метров.

Необходимо также знать, что подземные воды обладают и отрицательными факторами, которые особенно касаются строительства.

Подземные воды:

Осложняют производство работ в условиях притока подземных вод;

Ухудшают несущую способность пород, как основания сооружений;

Приводят к удорожанию строительства в связи с устройством гидроизоляции и дренажа.

Подземные воды находятся в неразрывной связи и взаимодействии с горными породами, в которых они формируются, накапливаются и перемещаются.

В горных породах подземная вода может быть в виде ХИМИЧЕСКИ СВЯЗАННОЙ, ПАРООБРАЗНОЙ, ФИЗИЧЕСКИ СВЯЗАННОЙ, СВОБОДНОЙ, и ТВЕРДОЙ.

ХИМИЧЕСКИ СВЯЗАННАЯ вода – это почти не «вода», она входит в состав кристаллической решетки минералов и принимает участие в строении кристаллической решетки. В СОДЕ ее до 64%, в минерале МИРАБИЛИТ – 55%. Выделить эту воду без разрушения кристаллической решетки не удается, Исключением является минерал ЦЕОЛИТ – «ПЛАЧУЩИЙ КАМЕНЬ» - из него кристаллизированную воду можно удалить нагреванием.

ПАРООБРАЗНАЯ вода – это водяной пар, заполняющий вместе с воздухом все, не заполненные водой поры и трещины в горных породах в пространстве между земной поверхностью и постоянным уровнем подземных вод. В определенные слои толщи земной коры пар может проникать по трещинам и пустотам из атмосферы или из глубоких недр земли от горячих водных растворов. В определенных условиях пары могут конденсироваться и переходить в жидкое состояние. В верхних слоях земной коры сосредоточена лишь незначительная часть парообразной воды Земли. В глубоких недрах пара гораздо больше, там он горячий.

ФИЗИЧЕСКИ СВЯЗАННАЯ вода – это вода, образующаяся на поверхности частиц горных пород путем КОНДЕНЦАЦИИ и АДСОРБЦИИ парообразной воды. Здесь выделяют ГИГРОСКОПИЧЕСКУЮ и ПЛЕНОЧНУЮ воду.

ГИГРОСКОПИЧЕСКАЯ вода – это вода, прочно удерживаемая на поверхности частиц МОЛЕКУЛЯРНЫМИ и ЭЛЕКТРИЧЕСКИМИ силами. Она может быть удавлена только при температуре 105-100 0 С. В зависимости от количества удерживаемой на частицах горных пород гигроскопической воды, различают гигроскопичность НЕПОЛНУЮ (1) и МАКСИМАЛЬНУЮ (2).

Наличие гигроскопической воды в породе не глаз не заметно. В месте с тем МАКСИМАЛЬНАЯ гигроскопичность тонкозернистых и глинистых пород может достигать 18%, в более крупнозернистых породах она падает до 1% от массы сухого вещества.

ПЛЕНОЧНАЯ вода образуется на частицах горных пород при влажности, превышающей максимальную гигроскопичность (3,4).

Поверхность частиц как бы обволакивается пленкой воды толщиной нескольких молекулярных слоев, покрывающих гигроскопическую воду.

Наличие пленочной воды в породах заметно на глаз, так как породы приобретают при этом более темную окраску. Пленочная вода способна передвигаться как жидкость от более толстых пленок к более тонким пленкам.

Максимальное содержание пленочной воды составляет:

Для песчаных пород - до 7%;

Для глинистых пород – до 45%.

СВОБОДНАЯ вода – это основная масса подземных вод. Она может перемещаться либо вниз по уклону – это ГРАВИТАЦИОННАЯ вода, либо вверх – КАПИЛЛЯРНАЯ вода.

Свободная вода не подвержена действию сил притяжения к поверхности частиц горных пород. Гравитационная вода подчиняется действию силы тяжести и способна передавать ГИДРОСТАТИЧЕСКОЕ давление. Гравитационная вода перемещается через пористое пространство и трещины в горных породах. В ЗОНАХ НАСЫЩЕНИЯ гравитационная вода образует ВОДОНОСНЫЕ ГОРИЗОНТЫ.

КИПАЛЛЯРНАЯ вода заполняет капиллярные поры и тонкие трещины в горных породах и удерживается силами поверхностного натяжения. Поднимается она снизу вверх, т.е. в направлении, противоположном действию силы тяжести.

ТВЕРДАЯ вода – вода в виде кристаллов, прослоек и линз льда – широко распространена в зоне многолетней мерзлоты.

Наличие тех или иных во многом предопределяет.

ГИДРОГЕОЛОГИЯ (от греч. hydor — вода и геология * а. hydrogeology, geohydrology; н. Hydrogeologie; ф. hydrogeologie; и. hidrogeologia) — наука о , изучающая их состав, свойства, формирование, распространение, движение и взаимодействие с окружающей средой ( и поверхностными водами). Основные разделы гидрогеологии: общая гидрогеология; ; динамика подземных вод; ; нефтяная гидрогеология; мелиоративная гидрогеология; гидрогеохимия; учение о поисках, разведке и оценке запасов подземных вод; учение о , и промышленных водах. Гидрогеология тесно связана с , гидрологией, метеорологией и другими науками о . При гидрогеологических исследованиях применяют геологические, геофизические, химические, физико-математические и другие методы.

Историческая справка. Сведения о подземных водах известны с глубокой древности. Колодцы глубиной несколько десятков метров известны за 2-3 тысячи лет до н.э. в Египте, Средней Азии, и других странах. К 1-му тысячелетию до н.э. относится начало представлений о свойствах природных вод, их происхождении, условиях накопления и круговороте воды на Земле (Фалес, Аристотель, Лукреций). Изучению подземных вод способствовали работы по водоснабжению, устройству каптажных сооружений, добыче . В эпоху возрождения и позднее изучению подземных вод посвящены работы Агриколы, Палисси и др.

В России первые научные представления о подземных водах были даны в 18 в. , о на рубеже 18-19 вв. — . Как самостоятельная отрасль естественных наук гидрогеология начала формироваться в конце 19 — начале 20 вв. Крупную роль в становлении гидрогеологии сыграли , и др. Основоположниками советской школы являются , Г. Н. Каменский, С. Н. Никитин, Н. Ф. Погребов, П. И. Бутов, А. Ф. Лебедев, Н. Н. Славянов, О. К. Ланге, Б. Л. Личков, А. Н. Семихатов и другие, разработавшие основные положения общей и региональной гидрогеологии. Для развития динамики подземных вод важную роль сыграли исследования движения грунтовых вод в пластах, движения подземных вод к водосборным сооружениям (Н. Е. Жуковский, Н. Н. Павловский, Г. Н. Каменский); для разработки методики гидрогеологических разведочных работ большое значение в этот период имели труды Г. Н. Каменского, М. Е. Альтовского, Н. А. Плотникова, С. В. Троянского.

В 30-40-х гг. значительный прогресс достигнут в развитии гидрогеологии горнорудных районов. В эти же годы формируется учение о режиме и балансе подземных вод, определяются закономерности их изменения под влиянием климата, гидрологии, разрабатываются методы изучения режима грунтовых вод в целом, и особенно для орошаемых районов (М. М. Крылов, М. А. Вевиоровская, А. А. Коноплянцев); установлены закономерности формирования термальных, минеральных вод, промышленных рассолов, открыты гидротермальные бассейны подземных вод (Н. Н. Славянов, Ф. А. Макаренко, Т. П. Афанасьев, А. М. Овчинников и др.). Создаётся учение о провинциях минеральных вод (Н. И. Толстихин, А. М. Овчинников, В. В. Иванов, Н. А. Маринов); формируется нефтяная гидрогеология. Разрабатывается учение о подземных водах мёрзлой зоны — криогидрогеология (А. В. Львов, М. И. Сумгин, Н. И. Толстихин). Развиваются общая, поисковая гидрогеохимия, радиогидрохимия (В. И. Вернадский, О. А. Алекин, М. Г. Валяшко, В. С. Самарина и др.). Установлены новые методы поиска подземных вод, эффективные способы их разведки. В конце 40-х гг. существенные результаты достигнуты в разработке научных основ оценки ресурсов подземных вод. Предложены их классификации, методы картирования, обоснования использования (Н. А. Плотников, Ф. М. Бочевер, М. Е. Альтовский, Н. Н. Биндеман, У. М. Ахмедсафин и др.).

В 50-70-х гг. продолжаются фундаментальные и прикладные исследования по гидрогеологии , борьбе с водопритоками в , водообеспечению рудников (Д. И. Щёголев, С. В. Троянский, Н. И. Плотников, М. С. Газизов, П. П. Климентов и др.). Разрабатывается теория перетекания подземных вод через слабопроницаемые отложения, послужившая основой для опытно-фильтрационных исследований (Н. К. Гиринский, А. Н. Митяев и др.). В связи с изучением закономерностей формирования и размещения подземных вод выполнены и обобщены крупные региональные гидрогеологические исследования (Ф. П. Саваренский, Г. Н. Каменский, О. К. Ланге, Н. И. Толстихин, В. Н. Кунин, Г. В. Богомолов, Н. В. Роговская, А. Е. Бабинец и др.), составлены разномасштабные сводные и комплексные (И. К. Зайцев, Б. И. Куделин, И. В. Гармонов, Н. А. Маринов, М. Р. Никитин, И. С. Зекцер и др.). Проведена впервые в гидрогеологической практике типизация месторождений подземных вод, предложенная Н. И. Плотниковым (1959) и усовершенствованная в дальнейшем Л. С. Язвиным и Б. В. Боревским. В начале 60-х гг. созданы принципиально новые методы оценки эксплуатации запасов, основанные на теориях упругого режима и неустановившейся фильтрации (Ф. М. Бочевер, Н. Н. Биндеман, В. Н. Щелкачёв и др.). Разработаны новые принципы прогнозирования, выявления, картирования, региональной оценки водных ресурсов недр аридных районов (У. М. Ахмедсафин и др.).

Значительные успехи достигнуты в исследовании гидрогеологических процессов с применением методов математического моделирования (В. М. Шестаков, И. Е. Жернов, В. А. Мироненко, И. К. Гавич). Выдвигаются новые важнейшие проблемы, связанные с охраной подземных вод от истощения и загрязнения, исследованиями физико-химической природы фильтрации подземных вод через слабопроницаемые разделяющие слои и процессы отжатия воды из глинистых пород, дальнейшим изучением вопросов гидрогеологии глубоких зон , рифтов и т.п. Опубликованы "Гидрогеологическая карта СССР" (масштаб 1:2 500 000), карта подземного стока , карты термальных и минеральных вод СССР, карты грунтовых вод и основные водоносные горизонты, ресурсов подземных вод для целей водоснабжения, орошения ряда крупных районов. Издана коллективная многотомная монография "Гидрогеология СССР", в которой изложены условия залегания, закономерности распространения и другие вопросы региональной гидрогеологии.

За рубежом в развитии гидрогеологии большую роль сыграли французские учёные А. Дарси, Ж. Дюпюи, А. Шези, немецкие — Э. Принц, К. Кейльхак, Х. Хёфер, американские — А. Хазен, Ч. Слихтер, О. Мейнцер.

В СССР исследования в области гидрогеологии ведутся в Институте водных проблем Академии Наук СССР (создан в 1968) и Институте гидрогеологии и гидрофизики Академии Наук Казахстанской ССР (1965), а также в отраслевых институтах: ВОДГЕО (1934), ВСЕГИНГЕО (1939), ВИОГЕМ (1959), ГИДРОИНГЕО (1960) и других, на гидрогеологических кафедрах вузов. Большая роль в развитии гидрогеологии принадлежит лаборатории гидрогеологических проблем Академии Наук СССР им. Ф. П. Саваренского (1940-50).

Тема: Гидрогеология как наука. Вода в природе.

1. Гидрогеология. Этапы развития гидрогеологии.

Вспомним определение науки гидрогеология. Гидрогеология - наука о подземных водах, изучающая их происхождение, условия залегания и распространения, законы движения, взаимодействие с водовмещающими породами, формирование химсостава и др.

Рассмотрим кратко историю развития этой науки.

1.1 Этапы развития гидрогеологии

В истории изучения подземных вод в СССР выделяют 2 периода:

1) дореволюционный;

2) послереволюционный.

В дореволюционном периоде можно выделить 3 этапа изучения подземных вод:

1. накопление опыта использования подземных вод (X - XVII в-в.)

2. первых научных обобщенных сведений о подземных водах (XVII - середина XIX века)

3. становление гидрогеологии как науки (вторая половина XIX века и начало XX века)

В 1914 г. на инженерном факультете Московского сельскохозяйственного института (ныне Московский гидромелиоративный институт) была организована первая в России кафедра гидрогеологии.

Период послереволюционный можно разделить на 2 этапа:

1. довоенный (1917- 1941 гг.)

2. послевоенный

Для подготовки инженеров гидрогеологов в 1920 году в Московской горной академии была учреждена гидрогеологическая специальность: несколько позже она была введена и в других институтах и университетах. В институтах стали преподавать наиболее видные ученые гидрогеологи Ф.П. Саваренский, Н.Ф. Погребов, А.Н. Семихатов, B.C. Ильин и др.

К началу первой пятилетки (1928г.), а также в течении последующих пятилеток гидрогеологические исследования проводились в Донбассе, в Восточном Закавказье, в Средней Азии, на Севере Украины, в Казахстане, Туркмении и во многих других областях страны.

Для дальнейшего развития гидрогеологии огромное значение имел Первый всесоюзный гидрогеологический съезд, проходивший в 1931г. в Ленинграде.

В 30-х годах впервые были составлены сводные карты (гидрогеологическая, минеральных вод, гидрогеологического районирования), которые имели большое значение для планирования дальнейших гидрогеологических исследований. В то же время под редакцией Н.И. Толстихина начали издаваться тома «Гидрогеология СССР». До Велико Отечественной войны было издано 12 выпусков этой многотомной работы.

Послевоенный этап характеризуется накоплением материалов по глубоко залегающим водам.

Для более глубокого научного анализа и широко регионального обобщения материалов по подземным водам было принято решение подготовить к опубликованию 45 томов «Гидрогеология СССР», и кроме того, составить 5 сводных томов.

2. Вода в природе. Круговорот воды в природе.

На земном шаре вода находится в атмосфере, на поверхности земли и в земной коре. В атмосфере вода находится в нижнем ее слое - тропосфере - в различных состояниях:

1. парообразном;

2. капельножидком;

3. твердом.

Поверхностная вода находится в жидком и твердом состоянии. В земной коре вода встречается в парообразном, жидком, твердом, а также в виде гигроскопической и пленочной воды. В совокупности поверхностные и подземные воды составляют водную оболочку - гидросферу.

Подземная гидросфера сверху ограничена поверхностью земли, нижняя ее граница достоверно не изучена.

Различают большой, внутренний и малый круговороты. При большом круговороте, влага испаряющаяся из поверхности океанов, переносится в форме водяных паров воздушными течениями на сушу, выпадает здесь на поверхность в виде осадков, а затем возвращается в моря и океаны поверхностным и подземным стоком.

При малом круговороте влага, испаряющаяся из поверхностей океанов и морей. Здесь же выпадает в виде осадков.

Процесс круговорота в природе в количественном выражении характеризуется водным балансом, уравнение которого доля замкнутого речного бассейна имеет вид для многолетнего периода:

X = y+Z-W (по Великанову),

где х - осадки на площадь водосбора, мм

у - речной сток, мм

Z - испарение за вычетом конденсации, мм

W - среднемноголетнее питание глубоких водоносных горизонтов за счет осадков или поступления подземных вод на поверхность в пределах речного бассейна.

Внутренний круговорот обеспечивается той частью воды, которая испаряется в пределах материков - с водной поверхности рек и озер, с суши и растительности и там же выпадает в виде осадков.

3. Виды воды в минералах и горных породах.

Одна из наиболее ранних классификаций видов воды в гонных породах была предложена в 1936 году А.Ф. Лебедевым. В последующие годы предложен ряд других классификаций. Исходя из классификации Лебедева большинство ученых выделяют следующие виды воды:

1. Парообразная вода

Находится в форме водяного пара в воздухе, присутствующем в порах и трещинах горных пород и в почве, передвигается вместе с токами воздуха. При определенных условиях путем конденсации может переходить в жидкую форму.

Парообразная вода - единственный вид, способный передвигаться в порах при незначительной их влажности.

2. Связанная вода

Присутствует главным образом в глинистых породах, удерживается на поверхности частиц силами, значительно превышающими силу тяжести.

Различают прочно- и рыхлосвязанную воду.

а) прочносвязанная вода (гидроскапическая) она находится в виде молекул в поглощенном состоянии, удерживается на поверхности частиц молекулярными и электростатическими силами. Она имеет высокую плотность, вязкость и упругость, свойственна тонкодисперсным породам, не способна растворять соли, не доступна для растений.

б) рыхлосвязанная (пленочная) располагается над прочносвязанной водой, удерживается молекулярными силами, более подвижна, плотность близка к плотности свободной воды, способна передвигаться от частиц к частице под влиянием сорбционных сил, способность растворять соли пониженная.

3. Капиллярная вода

Находится в капиллярных порах горных пород, где удерживается и передвигается под влиянием капиллярных (менисковых) сил, действующих на границе воды и воздуха, находящихся в порах. Она подразделяется на 3 вида:

а) собственно капиллярная вода находится в порах в виде влаги капиллярной поймы над УГВ. В зависимости от гранулометрического состава зависит мощность капиллярной поймы. Она изменяется от нуля в галечнике до 4-5 м в глинистых породах. Собственно капиллярная вода доступна для растений.

б) подвешенная капиллярная вода располагается преимущественно в верхнем горизонте породы или в почве и не находится в непосредственной связи с УГВ. При повышении влажности породы сверх наименьшей влагоемкости вода стекает в нижележащие слои. Эта вода доступна для растений.

в) вода углов пор удерживается капиллярными силами в порах песчаных и глинистых пород в местах соприкосновения их частиц. Эта вода растениями не используется, при повышении влажности может переходить в подвешенную или в собственно капиллярную.

4. Гравитационная вода

Подчиняется силе тяжести. Движение воды происходит под влиянием этой силы и передает гидростатический напор. Она подразделяется на 2 вида:

а) просачивающаяся - свободная гравитационная вода, находящаяся в состоянии нисходящего движения в виде отдельных струек в зоне аэрации. Движение воды происходит под влиянием силы тяжести.

б) влага водоносных горизонтов , которая насыщает водоносные слои до ПВ. Влага удерживается в следствие водонепроницаемости водоупорного слоя, (дальнейшее изложение относится к теме «Гравитационная вода»).

5. Кристаллизационная вода

Входит в состав кристаллической решетки минерала, например гипса (CaS0 4 2Н 2 О), сохраняет молекулярную форму.

6. Вода в твердом состоянии в форме льда

Кроме вышеуказанных шести видов выделяют химически связанную воду , которая участвует в строении кристаллической решетки минералов в форме ионов Н + , ОН", т.е. не сохраняет молекулярной формы.

4. Понятие о скважности и пористости.

Одним из важнейших гидрогеологических показателей горных пород служит их пористость. В песчаных породах выделяют паровую пористость, а в крепких - трещинную .

Подземные воды заполняют поры и трещины в горных породах. Объем всех пустот в горной породе называют скважностью. Естественно, чем больше скважность, тем больше воды может вместить порода.

Для движения подземных вод в горных породах большое значение имеют размеры пустот. В мелких порах и трещинах площадь соприкосновения воды со стенками пустот больше. Эти стенки оказывают значительное сопротивление движению воды, поэтому ее движение в мелких песках даже при значительных напорах затруднено.

Различают скважность горных пород: капиллярную (пористость) и некапиллярную .

К капиллярной скважности относят мелкие пустоты, где вода передвигается главным образом под действием сил поверхностного натяжения и электрических сил.

К некапиллярной скважности относят крупные, лишенные капиллярных свойств пустоты, в которых вода передвигается только под действием силы тяжести и разности напора.

Мелкие пустоты в горных породах называют пористостью.

Различают 3 вида пористости:

2. открытую

3. динамическую

Общая пористость количественно определяется_отношением объемавсех мелких пустот (включая и несообщающиеся между собой) ко всему объему образца. Выражается в долях единицы или в процентах.

Или

где V n – объем пор в образце горных пород

V – объем образца

Общая пористость характеризуется коэффициентом пористости е .

Коэффициент пористости е выражается отношением объема всех в породе пор к объему твердой части породы (скелета) V c , выражается в долях единицы.

Этот коэффициент широко используется особенно при исследовании

глинистых грунтов. Этот связано с тем, что глинистые грунты набухают при увлажнении. Поэтому пористость глин предпочтительнее выражать через е.

Коэффициент пористости можно выразить следующим образом

, разделив числитель и знаменатель на V c получим

Величина общей пористости всегда меньше 1 (100%), а величина е может быть равна 1 или быть больше 1. У пластичных глин е колеблется от 0,4 до 16.

Пористость зависит от характера сложения частиц (зерен).

К некапиллярной скважности относятся крупные поры в грубообломочных породах, трещины, каналы, пещеры и другие крупные пустоты. Трещины и поры могут сообщатся между собой или быть изорваны.

Открытая пористость характеризуется отношением объема сообщающихся между собой открытых пор ко всему объему образца.

Для зернистых несцементированных пород открытая пористость по величине близка к общей.

Динамическая пористость выражается отношением ко всему объему образца только той части объема пор, через которую может передвигаться жидкость (вода).

Исследования показали, что не по всему объему открытых пор происходит движение воды. Часть открытых пор (особенно на стыке частиц) не редко бывает занята тонкой пленкой воды, которая прочно-прочно удерживается капиллярными и молекулярными силами и не участвует в движении.

Динамическая пористость в отличие от открытой не учитывает объем пор, занятый капиллярно-связанной водой. Обычно по величине динамическая пористость меньше открытой.

Таким образом, принципиальная разница между охарактеризованными видами пористости заключается (количественно) в том, что в сцементированных породах общая пористость больше открытой, а открытая - больше динамической.

Контрольные вопросы:

1. Что изучает наука гидрогеология?

2. Как осуществляется круговорот воды в природе?

3. Назовите виды воды, встречающейся в минералах и горных породах.

4. Что называется пористостью? Назовите ее виды? Как определяется пористость?

5. Что понимаю под скважностью? Назовите и охарактеризуйте ее виды.