Грунтовые воды

Грунтовые воды это подземные воды постоянно существующего водоносного горизонта, расположенного на первом выдержанном водоупорном слое.Они имеют свободную поверхность, называемую зеркалом или уровнем грунтовых вод и водоупорное ложе.По условиям своего залегания эти воды могут образовывать потоки и озера или бассейны.Питание грунтовых вод происходит в значительной мере за счет инфильтрации осадков.

Уровень вод может меняться под влиянием выпавших дождей или таяния снега. В лесистых местностях, на флювиогляциальных и древнеаллювиальных отложениях весеннее таяние снега вызывает резкое повышение уровня грунтовых вод.

В степных областях при малом снежном покрове талые воды только увлажняют почвенный слой и мало сказываются на уровне.В горных областях на питание грунтовых вод оказывают влияние роса, туман, иней, облака.В пустынных областях уровень грунтовых вод поддерживается в основном за счет конденсации водяных паров.

Читай также :

◊ межпластовые воды

◊ химический состав подземных вод

◊ показатели качества питьевой воды

 

Характерной особенностью грунтовых вод является совпадение области питания и области распространения. На режим грунтовых вод иногда существенное влияние оказывает их взаимность с поверхностными водоемами-реками и озерами.В зависимости от расположения водоупора запас вод может пополняться путем питания их из открытых водоемов( смотри рисунок-1) или , наоборот, грунтовые воды могут свободно стекать в водоемы.

Рисунок-1. Схема взаимосвязи грунтовых и поверхностных вод:

а-река питает грунтовые воды; б-грунтовые воды питают реку.

Очень часто в сухое время года грунтовые воды свободно чтекают в открытые водоемы а весной. в половодье, происходит подпор грунтовых вод и частичное пополнение их запасов водой открытого водоема( рис-2).Знание режима грунтовых вод имеет большое значение для строительства. Так, например, исследования строительной площадки могут быть произведены в засушливый сезон, и грунтовые воды будут обнаружены на значительной глубине.

Рисунок-2. Подпор грунтовых вод высокими водами реки

В соответствии с этим проект здания или сооружения и проект производства строительных работ будут составлены без учета наличия грунтовых вод. Однако в дождливый сезон уровень вод может подняться и вызвать затруднения в производстве строительных работ или даже в эксплуатации выстроенного здания. Для суждения об условиях залегания грунтовых вод строят карты гидроизогипс-линий, соединящих точки зеркала грунтовых вод, лежащих на одном уровне.По отношению к зеркалу грунтовых вод они играют ту же роль, что и горизонтали по отношению к рельефу данной поверхности.Построение гидроизогипс производят по тем же правилам, что и построение горизонталей.

Рисунок-3. Определение расстояния х от скважины до гидроизогипсы

Рассмотрим рисунок-3. Предположим, что отметка устья скважины А будет H1 и расстояние от поверхности земли до воды Z1. Отметка воды в скважине А будет- h1, в скважине Б-h2.Из рисунка видно, что искомая гидроизогипса проходит на расстоянии х от скважины Б.Если отметка искомой гидроизогипсы hх, то имеют место следующие равенства:

(h2-hх)/х=(hх-h1)/(а-х), откуда х=(h2-hх)а/(h2-h1).

Следовательно, в плане гидроизогипса hх проходит между скважинами А и Б на расстоянии х от скважины Б.Например,h2=16,20; h1=15,45; hх=16,0; а=100 м.
х=100(16,20-16,00)/(16,20-15,45) = 100(0,20/0,75) =25 м, или в масштабе 1: 1000 будет- х=25(1/1000) = 25 мм.

Рисунок-4. Карта гидроизогипс и горизонталей земной поверхности:

1-гидроизогипсы; 2-горизонтали; 3-участки временного заболачивания

Гидроизогипсы позволяют судить о расположении зеркала грунтовых вод и о направлении их движения , так как последнее всегда будет перпендикулярно линиям гидроизогипсы.По карте гидроизогипс всегда может быть определен гидравлический уклон ( градиент) грунтового потока на данном отрезке и характер взаимосвязи грунтовых вод с открытыми водоемами.Для определения гидравлического уклона i разделим разность отметок двух смежных гидроизогипс на расстояние между ними: i=(h2-h1)/a.

Рисунок-5.Условия выхода родников в долинах:

а-долина проходит в синклинали, родники имеют выходы на обоих склонах; б-долина идет в крыле складки, родники имеют выход на одном склоне; в-долина проходит в антиклинали, родников нет.

Рисунок-4 иллюстрирует общий вид карты гидроизогипс с показанием направления движения грунтового потока. Гидроизогипсы фиксируют положение уровня грунтовых вод на определенное время. Для определения колебаний уровня грунтовых вод проводят стационарные наблюдения и составляют графики, позволяющие установить режим грунтовых вод. Рельеф поверхности водонепроницаемого слоя ( рельеф ложа грунтовых вод) существенно влияет на условия залегания вод и на расположение зеркала грунтовых вод.

В определенных условиях возможно создание подпора грунтовых вод, возникновение наклонного быстротока и выход родников на поверхность( рисунок-5).

Зональность грунтовых вод

Количество и глубина залегания грунтовых вод зависит не только от геологических факторов, но также и от геоморфологических и климатических условий данной местности.В.С. Ильин установил определенную закономерность в залегании грунтовых вод на территории европейской части СССР( смотри рисунок-т).Установив существование грунтовых вод, не подчиненных этим закономерностям, он назвал их азональными.Первая зона начинается на Северном Урале и идет к Финскому кристаллическому массиву, захватывая нижнее течение реки Сев.

Рисунок-6. Климатическая зональность грунтовых вод европейской части СССР( по В.С. Ильину):

1-зона тундровых вод; 2-зона высоких вод Севера;3-зона неглубоких оврагов; 4- зона глубоких оврагов; 5-зона овражно-балочная;6-зона причерноморских балок; 7-зона прикаспийских балок; 8-области конечных морен; 9-области массивных пород; 10- области карста; 11-области болот; 12-аллювиальные воды; 13-области солончаков.

Двины, почти все течение рек Пинеги и Мезени и большую часть течения реки Печоры.Грунтовые воды в этой зоне почти совсем не минерализованы, содержат много органических веществ и залегают так близко к земной поверхности, что наблюдается постепенный переход их в поверхностные и болотные воды.

Эта зона названа зоной грунтовых вод типа тундровых.Вторая зона высоких вод севера идет от среднего Урала, захватывая верховья рек Печоры, Сев.Двины, Камы, Вятки и мелких притоков реки Волги, области Онежского и Ладожского озер, до Псковского озера и далее на юг, в бассейн реки Днепра, до начала Украинской кристаллической гряды.

Грунтовые воды здесь приурочены главным образом к четвертичным отложениям, слегка минерализованы, содержат значительно меньше органических примесей, чем воды тундровой зоны и залегают сравнительно недалеко от поверхности : 4-6 м на водоразделах а в понижениях рельефа приближаются к поверхности и сливаются с болотами.Третья зона , зона неглубоких оврагов, тянется от западных склонов Уфимского плато на запад до девонского Полесского вала. С севера, в районе Горьковского Поволжья, в эту зону вклинивается предыдущая зона высоких вод Севера, а на юге она сама вклинивается в зону бассейна реки Цны.

Грунтовые воды зоны неглубоких оврагов залегают сравнительно глубоко ( 20-25 м) и только в пониженных местах междуречий близки к поверхности. В оврагах и речных долинах часто встречаются обильные ключи, питающие реки. Эти воды не содержат органических примесей и более минерализованы, чем высокие воды Севера.

Из Ульяновского Поволжья в правобережье реки Днепра, расширяясь в районе Тула -Воронеж, тянется узкая лента зоны глубоких оврагов. Грунтовые воды этой зоны характеризуются глубоким залеганием и высокой степенью минерализации ( жесткость вод доходит до 20° нем).

Южнее зоны глубоких оврагов, от Уфимского плато, пересекая Поволжье по линии Ульяновск-Волгоград, далее через Харьков до Украинской кристаллической гряды проходит овражно-балочная зона. Грунтовые воды здесь сильно минерализованы,иногда солоноватые, залегают на глубине 50-60 м. Ключи редки, встречается часто пересыхающая верховодка. От Ергеней до Поволжья и от западных склонов Ставропольского плато на Северном Кавказье, на запад до Карпатских предгорий проходит зона причерноморских балок.

Грунтовые воды этой зоны еще более сильно минерализованы и залегают на больших глубинах, доходящих в отдельных случаях до 100-120 м.В условиях малорасчлененного рельефа, характерного для пустынь и полупустынь, в низовьях рек Волги , Урала и Эмбы, в Терско-кумской низменности находится зона Прикаспийских балок.Несмотря на сравнительно близкое к поверхности залегание, грунтовые воды здесь жестки, солоноваты.Для этой зоны характерны большие бессточные депрессии.

К зональным грунтовым водам должны быть отнесены также воды районов вечной мерзлоты, граница распространения которых примерно совпадает с изотермой -2°С.Обобщая закономерности залегания и свойств зональных грунтовых вод , О.К. Ланге выделяет на всей территории СССР три провинции или макрозоны.первая провинция вечной мерзлоты характерна отрицательными среднегодовыми температурами.Вторая-положительной среднегодовой температурой, высокой влажностью и относительно небольшими суточными, сезонными и годовыми колебаниями температуры.

Эта провинция включает в себя зоны тундровых вод Севера, поясов неглубоких оврагов, глубоких оврагов, овражно-балочного и глубоких балок Причерноморья.Третья провинция при положительной среднегодовой температуре имеет высокую сухость воздуха и большую амплитуду колебаний температуры. В нее входят зоны равновесия подземного стокаи испарения, характерные для Арало-Каспийской пустыни, и зона предгорных шлейфов равнин ( рисунок-м).

Рисунок-7. Схема провинций и зон грунтовых вод ( по О.К. Ланге)

1-зоны сплошной вечной мерзлоты; 2-зоны таликовой и островной мерзлоты; 3-зона тундровых вод и высоких вод Севера; 4-зона неглубоких и глубоких оврагов; 5-зона неглубоких балок Прикаспия; 6-зона равновесия подземного стока и испарения;7-полоса(зона)подгорных шлейфов и предгорных долин; 8-зона азональных грунтовых вод.

Азональные грунтовые воды могут быть нескольких типов. На пространствах рек Волги, Западной двины и Днепра на самой различной глубине залегания находятся среднежесткие, часто железистые грунтовые воды конечных морен.На территории Украинской кристаллической гряды , среди гранитно-гнейсов Карелии и Кольского полуострова , в элювиальном щебне и дресве коренных пород, залегают грунтовые воды областей массивных пород. В легко растворимых породах( известняках, гипсах) в Крыму и под Ленинградом, в Кунгуре( Приуралье), на Уфимском плато и в других районах залегают жесткие воды областей карста.

В междуречных ( на севере) и низинных ( на юге) болотах на уровне земной поверхности располагаются насыщенные органическими остатками грунтовые воды болот.В областях распространения древнего и современного аллювия и флювиогляциальных отложений -в Днепровском Полесье, в древних долинах рек Волги, Оки и Клязьмы, верховьях Северной Двины и других местах залегают аллювиальные грунтовые воды. Уровень их по большей части связан с уровнем воды в реках и озерах.

В пустнынях и полупустынях часто встречаются пересыхающие предельно минерализованные, соленные болотистые воды области солончаков.своеобразный случай залегания грунтовых вод представляют воды дюн, морских побережий и прибрежных песчаных островов. Морская вода испытывает давление инфильтрационной грунтовой пресной воды, и не смешиваясь с ней , прогибается ; пресная вода плавает на соленой подобно льдине.

Рисунок-8. Схема залегания пресных вод на песчаном острове

Условие равновесия морской и пресной воды определяется соотношением их плотностей. Вследствие этого в линзе пресной воды ( рис-8) отношение высот Н:h=1:(1,024-1)=42.Таким образом, очень небольшое понижение уровня пресной воды вызывает резкий подъем морской воды под дном колодца.