Основные разновидности подземных вод и их характеристика

Классификации подземных вод отражают разнообразие условий их распространения, залегания и формирования, а также особен­ности 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, назы­ваемая 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 пло­дородие почв. Небольшие постоянные скопления воды образуются лишь в почвах болотного типа; они характеризуются большим со­держанием органических веществ и микроорганизмов.

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

В соответствии с балансом влаги (соотношением между ее по­ступлением 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: поч­венный — корнеобитаемый слой; подпочвенный, куда в некоторых зонах «промокание» не доходит; капиллярной каймы. Геологи­ческая деятельность почвенных вод незначительна, однако агроно­мическое значение этих вод огромно, так как почвенная влага не­обходима для выращивания сельскохозяйственных культур.

Гравитационные подземные воды сосредоточены главным об­разом 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 образо­вывать временно существующие водоносные горизонты, называ­емые 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 геолого­структурных, геоморфологических, тектонических, литологи­ческих, климатических и других факторов и условий. Общая схема их взаимного расположения в разрезе показана на рис.ниже.

Верховодка — это горизонт, который формируется за счет не­больших скоплений в зоне аэрации вод временного, сезонного ха­рактера, имеющих гидравлическую связь с почвенными водами и залегающих на невыдержанных водонепроницаемых и слабопро­ницаемых слоях вблизи поверхности земли. Зимой она промерзает, а летом пересыхает. Верховодка всегда усложняет инженерно-гео­логические условия строительства, поскольку может быть не заме­чена 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 пок­ровных 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 на­копления их на линзах и прослойках слабопроницаемых пород, иг­рающих 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 интенсив­ного выпадения атмосферных осадков и утечек воды из раз­личных систем);
• ограниченность распространения (локальный характер пред­определяется локальным распространением водоупоров);
• резкая зависимость ее запасов, режима и качества от климати­ческих условий и хозяйственной деятельности человека;
• легкая загрязняемость и непригодность для постоянного водо­снабжения.

Накопление верховодки происходит весной при оттаивании почвы и уменьшении мерзлого слоя; осенью — после периода дли­тельных дождей. Необходимым условием задержания влаги в по­родах должно быть переслаивание проницаемых и слабопроница­емых пород. Например, погребенные горизонты почв должны зале­гать в толще лёссов, линзы размытой глинистой морены — среди флювиогляциальных песчаных отложений, линзы и карманы суг­линистых отложений — среди аллювиальных песков и т.д.

Обычно верховодка встречается в суглинках и лёссовидных от­ложениях 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 из­менчивостью. В районах больших городов эти воды легко загрязня­ются. Для гидротехнического и гражданского строительства ее при­сутствие неблагоприятно.

По химическому составу воды верховодки неодинаковы: прес­ные 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 необ­ходимо тщательно изолировать при помощи обсадных труб во из­бежание загрязнения ею лежащих ниже водоносных горизонтов.

Грунтовые воды. К грунтовым водам относятся подземные воды первого от поверхности постоянно действующего водоносного го­ризонта, 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 уста­навливается в них на той глубине, где они были встречены. Не­редко 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 вы­держанном водоупоре предопределяют особенности их питания, распространения, движения и разгрузки. Области питания и рас­пространения грунтовых вод совпадают, т.е. их питание через зону аэрации осуществляется по всей площади их распространения. По­этому расход потока грунтовых вод является величиной переменной (как правило, увеличивается по пути их движения). Основными ис­точниками питания грунтовых вод являются атмосферные осадки, поверхностные и конденсационные воды. Грунтовые воды имеют тесную гидравлическую связь с поверхностными водотоками и во­доемами и в зависимости от соотношения их уровней либо разгру­жаются в них (дренируются), обеспечивая их подземное питание, либо питаются поверхностными водами (особенно при подпорах и в паводки). При изменении уровня воды в поверхностных водо­емах 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 — грун­товые 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 водо­токи и водоемы. При залегании близко к поверхности (0-4 м) они могут разгружаться путем испарения через зону капиллярной каймы. На отдельных участках возможна гидравлическая взаимо­связь 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 пи­тание, либо разгрузка грунтовых вод.
Грунтовые воды движутся от мест с их более высоким уровнем к местам с их пониженным уровнем, обычно от участков с повы­шенным рельефом и водоразделов в сторону местных понижений, оврагов, балок и речных долин. Разгружаются грунтовые воды в этих понижениях обычно в виде нисходящих источников. По­верхность грунтовых вод (зеркало), как правило, в несколько сгла­женном виде соответствует рельефу местности. При этом гидравли­ческие уклоны поверхности грунтовых вод обычно невелики и со­ставляют в среднем 0,05—0,001. На отдельных участках уровень грунтовых вод может быть практически горизонтальным, что сви­детельствует о незначительной скорости их фильтрации либо о полном ее отсутствии.

Наглядное представление об условиях распространения и дви­жения 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 гори­зонталях, используя результаты единовременных замеров уровня грунтовых вод во всех имеющихся скважинах, колодцах и в их есте­ственных выходах.

Если наблюдается резкое изменение уровня грунтовых вод в различные периоды, то карты гидроизогипс составляют на эти ха­рактерные 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 гидроизо­гипсам);
• гидравлические уклоны и скорость фильтрации;
• глубину залегания грунтовых вод (по разности отметок горизон­талей поверхности Земли и гидроизогипс водной поверхности);
• характер взаимосвязи грунтовых вод с поверхностными (по ха­рактеру сопряжения гидроизогипс с поверхностными водоемами и направлению движения подземных вод)

и решать другие практические задачи.

Нередко на основе карты гидроизогипс составляют карту глу­бины залегания грунтовых вод (в изолиниях равных глубин или с вы­делением 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 темпера­турные условия верхней части литосферы допускают их накопление и существование в жидкой фазе. Изучение условий их формиро­вания и распространения показало, что существуют определенные закономерности зонального распределения различных по проис­хождению типов грунтовых вод.

Грунтовые воды имеют большое народнохозяйственное зна­чение: 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 из­менчивой 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 невыдержан­ными по мощности слоями разной проницаемости, то воды обычно напорные;
• область питания совпадает с областью распространения, и пи­тание происходит за счет инфильтрации атмосферных осадков и снеговых вод; фильтрации из рек, озер и каналов; конден­сации 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, ме­сячным, годовым и многолетним колебаниям;
• подземный сток грунтовых вод обычно направлен от водораз­делов 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 по­верхностными водами.

Межпластовые безнапорные воды. Эти воды, как и грунтовые, имеют свободную поверхность, давление на которой равно атмос­ферному, но залегают они обычно между двумя водоупорными тол­щами.

Из-за этого межпластовые воды питаются на ограниченных участках (в областях выхода водовмещающих отложений на поверх­ность, на участках их взаимосвязи с поверхностными водотоками и напорными водами) и находятся в более благоприятных сани­тарных 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 напор­ными 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 фонта­нирующие воды, которые получили название артезианских вод. В первое время артезианскими водами называли только воды, фон­танирующие 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. приурочен­ность ее к поясу избыточного увлажнения;
• породы области питания должны выходить на поверхность выше пунктов заложения скважин, т.е. необходимы наклон и изогну­тость пластов, обусловливающие гидравлический, артезианский напор;
• оптимальные возможности водопоглощения, наличие хорошо проницаемых почв, в зоне аэрации — малое количество и не­большая мощность глинистых водоупорных горизонтов и толщ;
• наличие в области распространения или напора выдержанной глинистой кровли;
• высокая пористость, трещиноватость и водопроницаемость во­довмещающих 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 избыточ­ного 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 воз­можного самоизлива напорных вод; 1,2 — пьезометрический уровень напорных вод первого горизонта; 3 — восходящий источник; 4 — участок возможной гидрав­лической взаимосвязи напорных горизонтов (гидрогеологическое «окно»); 5 — на­порные водоносные горизонты

Величину напора обычно определяют по положению пьезомет­рического уровня водоносного горизонта относительно горизон­тальной плоскости сравнения О — О. Напорные воды располо­жены, как правило, ниже горизонтов грунтовых вод и характеризу­ются своеобразными условиями залегания, распространения, питания и разгрузки. Наличие водоупорной кровли, перекрыва­ющей водоносный пласт, затрудняет питание и разгрузку напорных вод и их взаимосвязь с поверхностными водами и атмосферой.

Питание напорных водоносных горизонтов оказывается воз­можным лишь в области выхода водопроницаемого пласта на по­верхность, 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 раз­грузки напорных вод.

В области питания подземные воды имеют свободную поверх­ность и тесную гидравлическую взаимосвязь с поверхностными во­дами. Область, в пределах которой подземные воды имеют избы­точный над перекрывающей их водоупорной кровлей напор, назы­вается 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 по­верхность (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 на­правлении от областей питания к областям разгрузки. Интенсив­ность их движения уменьшается по мере увеличения глубины и удаления от областей питания.

Положение пьезометрической поверхности напорных вод ха­рактеризуется картой пьезоизогипс (гидроизопьез), которая состав­ляется аналогично карте гидроизогипс грунтовых вод и представ­ляет собой систему изолиний, соединяющих точки с одинаковыми отметками пьезометрического уровня. На карты пьезоизогипс на­носят также изолинии отметок поверхности кровли и подошвы рас­сматриваемого напорного горизонта, что облегчает решение многих практических задач. Например, по карте пьезоизогипс определяют направления движения напорных вод, гидравлические уклоны, на­поры, участки возможного самоизлива вод. Если известны мощ­ность 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, относи­тельным постоянством уровней температуры и химического со­става, меньшей загрязненностью и лучшим санитарным качеством воды. Поэтому их можно использовать для различных видов водо­снабжения (хозяйственно-питьевого, производственно-техничес­кого, лечебно-питьевого, термального и др.) и орошения. При экс­плуатации высоконапорных вод, находящихся в пластах под значи­тельным 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 значи­тельные пространства.

В реальных природных условиях схема распространения, пи­тания и разгрузки напорных вод зависит от геолого-структурных, тектонических, литологических, климатических и других особен­ностей того или иного района. В частности, напорные воды могут питаться и разгружаться на участках, где возможна их гидравли­ческая взаимосвязь с соседними напорными и безнапорными водо­носными горизонтами через литологические гидрогеологические «окна», тектонические нарушения и участки с размывом разделя­ющих их водоупорных отложений.

Их интенсивная разгрузка возможна также на участках, где на­порные воды вскрываются карьерами, котлованами, шахтами, во­дозаборными 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 не­сколько напорных водоносных горизонтов или комплексов, взаи­мосвязанных или изолированных друг от друга водоупорными от­ложениями. Положение пьезометрических поверхностей, входящих в состав бассейна напорных водоносных горизонтов, зависит от вы­сотного 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 дав­лением толщи вышележащих отложений. Значительно более вы­сокие 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 пред­горных и горных районах, где имеются моноклинальное залегание и выклинивание водовмещающих отложений, способствующие об­разованию 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 под­земные воды разгружаются в виде источников восходящего и нис­ходящего типов в непосредственной близости от области питания. Напорный характер воды артезианского склона имеют в зоне их пе­рекрытия водоупорными отложениями. Гипсометрически область напора находится на более низких абсолютных отметках, чем об­ласть разгрузки. В артезианских бассейнах с интенсивным движе­нием подземных вод распространены, как правило, пресные ин- фильтрационные воды с невысокой минерализацией (зона интен­сивного 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 залега­ющим водоносным горизонтам и комплексам. В более глубоко за­легающих горизонтах, не охваченных интенсивным водообменом, широко распространены минерализованные и высокоминерализо­ванные подземные воды различного состава (гидрокарбонатно­сульфатные, сульфатные, сульфатно-хлоридные). Обычно эту зону называют зоной затрудненного водообмена.

В артезианских бассейнах с неблагоприятными условиями водо­обмена (незначительная разница в высотном положении областей питания и разгрузки, глубокое залегание и широкое региональное распространение напорных вод, закрытый характер водовмеща­ющих структур и т.д.) ниже этой зоны находится зона весьма за­трудненного водообмена, в пределах которой в водоносных гори­зонтах сохраняются седиментационные древние воды (воды мор­ского 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 совокуп­ности факторов, определяющих формирование, накопление, дви­жение и расходование подземных вод.

Напорные воды артезианских бассейнов имеют большое прак­тическое значение не только как источник водоснабжения. В зави­симости от их химического и газового состава, наличия в них био­логически активных и промышленных микрокомпонентов, их тем­пературы 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 гранулометри­ческого 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.