Гидрогеология

печать брош-12;2-х стор

ПОДЗЕМНЫЕ ВОДЫ И ИХ ОХРАНА

ОБРАЗОВАНИЕ И КЛАССИФИКАЦИЯ ПОДЗЕМНЫХ ВОД

Вода, испаряется с поверхности и снова выпадает в виде осадков на землю и в море.

Часть воды: -стекает -испаряется -просачивается в почвы и ГП

Подземные воды движутся в порах, полостях и трещинах ГП.

Подземные воды образуются

--путем инфильтрации дождевых, талых вод в поры и трещины горных пород.

---конденсируется из воздуха, и частично стекает в землю, почву и нижние слои.

---виде туманов, инея, изморози

---отжимается из морских, лагун, лиманных и озерных илов,

- поступает в породы из магмы и лавы.

В горных породах вода присутствует в разных состояниях:

1) пары воды; движутся от большего парциального давления к меньшему

2) конституционная вода - в составе минералов пород например в гипсе, лимоните, опале и других минералах. Удаляется при 105^оС.

З) связанная – пленочная - вокруг минералов слоем от нескольких до десятков молекул. Движется от толстых пленок к тонким под действием электрических сил;

4) капиллярная вода. движется под действием сил поверхностного натяжения.

5) свободная капельно-жидкая вода, передвигается под действием силы тяжести (гравитационная вода),

6)Лед.

Формирование состава подземных вод

Зональность: вертикальная и географическая

Подземные растворяют минералы и продукты их разрушения.

Подземные воды разделяют по минерализации и составу:

пресные <1 г/л, слабо солоноватые 1-3 г/л, солноватые 3-10 г/л, соленые >10 г/л, рассолы > 50 г/л

Состав поземных вод описывают содержанием ионов K, Са, Na, SO₄, Cl …

Грунтовые воды (первый от поверхности в/горизонт, залегающий на постоянном водоупоре) закономерно меняют минерализацию, условия залегания, питания, режим, и химический состав.

Их состав изменяется в меридиональном и широтном направлениях в зависимости от климата, ландшафта, характера выветривания…

Географическая зональность с севера на юг:

---в тундре П/В залегают у поверхности, (< 0,2 г/л).

Состав HCOз---SiOз.

---в средней полосе М= 0,2-0,5г/л,

Состав HCOз--Ca+, реже- SO₄- и Cl-.

---южные лесостепи М >1 г/л

Состав воды Cl- SO₄, за счет роста S⁶⁺ и Сl-.

---в Причерноморье, Крыму, Средней Азии М=3-8 г/л и залегают на больших глубинах.

Состав SO₄—Cl.

Состав и обилие подземных вод (ПВ) зависит от

климата<>пересеченности рельефа<>типа вмещающих пород

Он имеет еще и вертикальную зональность в горах:

-верхняя зона пресных вод <1 г/л НСОз-Са+

-средняя зона солоноватых вод 1-10 г/л преобл SO₄ и Cl-

-нижняя зона соленых вод >10 г/л преобл Сl-Na+

формирование и распространение ПВ

== Область питания п/в - территория, на которой поверхностные воды просачиваются в землю.

== Область распространения п/в - площадь, в пределах которой они залегают.

== областью разгрузки п/в (дренажа или дренирования) - местность, где подземные воды выходят на поверхность земли.

== Зона аэрации - поверхностные слои пород, не содержащие свободных капиллярных и гравитационных вод.

Водоносный пласт – пласт горной породы, содержащий свободную (гравитационную) воду. Он обладает однородным литологическим составом и постоянной водопроницаемостью.

Водоупор - водонепроницаемый пласт горной породы.

Водоупорная кровля, ложе – относительно В-непроницаемый пласт, покрывающий (подстилающий) водовме-щающие породы.

---Водоносные пласты могут объединяться в водоносные горизонты.

Водоносный горизонт –близкие по составу и фильтрационным свойствам пласты водонасыщенных ГП.

Подземные воды классифицируют по следующим признакам:

условиям залегания грунтовые <> верховодка <> мжпластовые

по напорному режиму- напорные <> безнапорные

по режиму движения - поток <> бассейн

по форме потока – плоский <> радиальный

Верховые воды (почвенные) – подземные воды, залегающие спорадически в виде линз на местных водоупорах или находящиеся в подвешенном состоянии в зоне аэрации. Они постепенно опус­каются вниз и пополняют собственно грунтовые воды, частично испаряются в атмосферу, или перемерзают.

Грунтовыми водами называют подземные воды со свободной поверхностью, накапливающиеся на первом от поверхности земли водоупоре.

Грунтовые воды отличаются от верховодки (почвенных вод) наличием постоянного водоупора и сплошностью занимаемого объема.

Они питаются атмосферными осадками, “верховодкой” и др. источников.

П лощади питания и распространения грунтовых вод, как правило, совпадают.

-Грунтовые воды в отличие от верховодки существуют длительное время.

Свободную поверхность грунтовых вод называют депрессионной поверхностью или «зеркалом грунтовых вод».

Над депрессионной поверхностью располагаются капиллярные воды, называемые капиллярной каймой. Средние значения h_k составляют в крупных песках до 0,15м, средних 0,15—0,35м, мелких 0,35м— суглинках и лёссах 3—4м. В глинах иногда достигают 8 м.

Глубина залегания грунтовых вод - расстояние между поверхностью земли и зеркалом.

Мощность водоносного пласта - расстояние между зеркалом грунтовых вод и водоупорным ложем.

Межпластовые подземные воды залегают между двумя водоупорными пластами. Их поверхность может быть свободна, либо ограничена водонепроницаемым пластом кровли.

Напорный режим формируется только в межпластовых подземных водах,

безнапорный – в грунтовых и межпластовых.

Типизация подземных вод по режиму движения

Бассейн грунтовых вод – водонасыщенные породы, грунтовая вода которых не движется и имеет горизонтальное зеркало. Располагаются в понижениях водоупорного ложа. Вода неподвижна.

При наклоне зеркала грунтовых вод образуется поток грунтовых вод;

Грунтовые воды испытывают трение о минеральные частицы. Поэтому скорость их меньше, чем открытых наземных вод.

С ростом водопроницаемости и уклона зеркала ПВ, растет скорость потока.

гидростатический напор «Н»

«Н» - характеризует полную энергию потока в сечении.

Она складывается из 1)Кинетической энергии, которая =>… 0,0

2)Потенциальной энергии

В частном случае Гидростатический напор равен абсолютной отметке УГВ над уровнем моря.

В общем случае «Н» определяется суммой

1)высотного положения точки над плоскостью сравнения- z и 2)гидростатическим давлением вышележащей жидкости(h_p), выраженным «метрах:

 H = h_p + z = p/(m*g) +z

p =m*g*h = часть потенциальной энергии жидкости, обусловленная гидростатическим давлением. Н - измеряется в метрах.

Выбор плоскости сравнения произволен: уровень моря или подошва водоносного пласта.

Режим движения подземных вод

Водоносные пласты в этом аспекте делятся на напорные и безнапорные.

Рассмотрим межпластовые подземные воды. Они заключены между 2-мя водоупорами.

верхней границей водонасыщенных пластов является водоупор (например, глина)

Признак напорного водоносного пласта - свободный уровень подземных вод поднимется выше кровли пласта. В безнапорном – нет.

Основной закон движения подземных вод

Движение подземных вод происходит при наличии разности гидростатических напоров (уровней свободной поверхности подземн. вод).

Фильтрация в водонасыщенных грунтах при ламинарном режиме движения подчиняется закону Дарси:

Q = Кф х F х dH / L = Кф х F х I или V= Кф х I

Напорный(гидравлический) градиент I = dH/L, безразмерный

Cкорость фильтрации пропорциональна напорному градиенту в первой степени (при ламинарном движении).

Коэффициент фильтрации — это скорость фильтрации при напорном градиенте, равном единице, [м/сут]

Для определения градиента напора удобна карта гидроизогипс. Гидроизогипсой называют линию равных отметок уровня подземных вод (или равных гиростатических напоров).

Форма потока грунтовых вод.

Поток может быть плоским: линии тока воды параллельны друг другу, например движение подземных вод в сторону реки, траншеи;

- радиальным: линии тока сходятся к точке или расходятся от нее, например приток воды к колодцу, скважине, котловану.

Расход плоского потока подземных вод

Пример: движение подземных вод к траншеям, штольням и др.

Расход грунтового (безнапорного) потока в однородных плас­тах.

Условие: водоупор горизонтальный, пласт однородный.

Расход от сечения I к сечению II определяется так:

Q = К_ф* F*I = К_ф* B*hср *Iср

Q= К_ф*В*(H+h)/2* (H-h)/R,

Удвоим расход, поскольку вода течет с 2-х сторон.

где R- радиус влияния дренажной траншеи. Его вычисляют так: _______

R= 2S*\/(H*K_ф)

Q= К_ф*В*(H²-h²)/R,

где S –понижение уровня воды в дрене (скважине), Н-мощность водоносного пласта, h-мощность слоя воды в дрене

ПРИТОК ВОДЫ К ВОДОЗАБОРНЫМ СООРУЖЕНИЯМ

Водозаборное сооружение производит захват (забор) подземных вод для водоснабжения, и других целей (водоотведение…).

Существуют различные типы подземных водозаборных сооружений: вертикальные <> горизонтальные <> лучевые/

Вертикальные водозаборы: буровые скважины и шахтные колодцы,

Горизонтальные водозаборы: — траншеи, галереи, штольни,

Лучевые — водосборные колодцы с водоприемными лучами-фильтрами.

Тип водозаборного сооружения выбирают, исходя из

--глубины залегания водоносного пласта,

--его мощности, состава ГП

--производительности водозабора.

Водозаборы, состоящие из одной скважины, колодца и т. д., называют одиночными, а из нескольких — групповыми.

Интенсивный водозабор из скважин, колодцев, шурфов и т. д. называют откачкой.

Понятие о депрессионной воронке и радиусе влияния

При откачке воды из скважин вследствие трения воды о частицы грунта происходит воронкообразное понижение уровня. Образуется депрессионная воронка, имеющая в плане форму, близкую к кругу по вертикали – депрессионные кривые.

Знание размеров депрессионной воронки позволяет

--оценить К_ф -- выделить зоны санитарной охраны,

--определить причины загрязнения источника водоснабжения и др.

Радиус депрессионной воронки называется радиусом влияния (R). зависит от водопроницаемости пород.

гравий и песок, имеют широкие воронки,

суглинки - имеют воронки с небольшим R.

Определение радиуса влияния (R).

В первом приближении используют формулу Кусакина для определения R в безнапорном водоносном пласте при установившейся фильтрации:

______

R = 2*S  (H*K_ф)

Формула Зихардта применяется для напорных водоносных пластов

____

R = 10*S*  (K_ф)

Достоверно радиус влияния определяется опытными откачками воды и моделированием.

Приток воды к водозаборным скважинам

Движение подземных вод к ним в период откачки происходит в форме радиального потока. Объем воды, выдаваемой скважиной в ед. времени, наз. дебитом л/с, м^з/сут.

Дебит: cовершенная скважина, безнапорные воды.

Изменение уровня воды в скважине при откачкеназывают S- называют понижением. При определении дебита совершенной скважины применяют закон Дарси

Q=Kф*F*I F=2**x*y,

I = dX / dY

подставляя и интегрируя уравнение получим:

Q = 1,366*k_ф *[(2H – S)S / (lgR – lgr)],

где r-радиус скважины, R-радиус влияния скважины, S- понижение уровня воды в скважине при откачке, H-мощность водоносного слоя, К_ф- коэфф. фильтрации.

Решение получено французским ученым Ж. Дюпюи и лежит в основе большинства гидрогеологических расчетов.

Совершенная скважина, питаемая напорными водами.

Скважины, вскрывающие напорные воды, называют артезианскими

Напорные воды притекают к скважине со всех сторон в пределах мощности в/пласта - m.

При откачке воды из артезианской скважины ее уровень снижается на величину S в скважине. Образуется условная депрессионная воронка радиусом R. Применяя подход Дюпюи получаем

Q = 2,73*k_ф*m*S/ (lgR – lgr),

где m-мощность водонасыщенного напорного пласта

При интенсивной откачке динамический уровень, т. е. уровень воды в скважине, может опуститься ниже кровли водоносного горизонта.

Подтопление подземными водами застроенных территорий.

Основными причинами подтопления городов являются:

-инфильтрация утечек технологических вод,

-промышленных и хозяйственно-бытовых стоков,

-полив зеленых насаждений,

-экранирующее влияние водонепроницаемых ГП,

- изменение тепло-влажностного режима под зданиями, сооружениями, влияние барражного эффекта (задержка поверхностных и подземных вод зданиями и сооружениями).

Таким образом, подъем УГВ происходит за счет изменения баланса ПВ.

Для ПГС подъем уровня опасен, поскольку изменяет

-- влажностный режим грунтов зоны аэрации,

-- физико-механические и другие свойства грунтов и –

-- химический состав подземных вод.

Подъем уровня грунтовых вод происходит обычно до критического уровня 2-3 м до поверхности земли.

Наиболее активно подтопление развивается на территориях, сложенных лессовыми породами, так как здесь к слабой водопроница­емости добавляется анизотропия К_ф. Соотношение вертикального и горизон-тального К_ф составляет 5-7.

Пример.

Ростсельмаш: грунтовые воды за 40 лет поднялись на 18—20 м. Глубина залегания зеркала ПВ от поверхности земли в ряде случаев составляет 3 м.

В Волгодонске в период интенсивной застройки (80-е годы), уровень ПВ на некоторых участках поднимался со скоростью 0,5 м в месяц, что привело к развитию просадочных явлений в лессовых грунтах,

Мероприятия по борьбе с подтоплением подразделяют на

П рофилактические

- организация стока грунтовых вод,

-дренаж,

-предупреждение утечек из водонесущих коммуникаций и др.

Защитные

-- дренажные устройства у сооружений,

--гидроизоляция

Последние мероприятия осуществляются при эксплуатации сооружений.