Пластовые напорные и «безнапорные» воды
Межпластовыми (пластовыми) водами называют водоносные горизонты, залегающие между двумя слабопроницаемыми пластами (в кровле и в подошве). Глубина залегания от 10м до 7км и более. Они могут быть безнапорными и напорными.
Межпластовые безнапорные (со свободной поверхностью) встречаются редко и приурочены к слоистым осадкам, таликам междуречных массивов. Они залегают в верхней части геологического разреза, выше уреза поверхностных вод основный дрен территории, водоносный горизонт насыщен водой не на всю мощность.
Межпластовые напорные воды называются артезианскими. (Название произошло от провинции Артуа (юг Франции), где в 1126г. впервые в Европе были вскрыты и охарактеризованы самоизливающиеся воды). Артезианские воды встречаются в коренных дочетвертичных отрицательных структурах земной коры: синеклизы, мульды, прогибы. Напорным водам свойственен упругий напор фильтрации, который связан с проявлением упругих свойств воды и водовмещающих ГП при изменении внутренних давлений.
Расстояние от кровли водоносного горизонта до установившегося уровня воды является пьезометрической высотой или напором над кровлей водоносного горизонта. Эта величина равна высоте столба воды и зависит не только от пластового давления, но и от плотности воды, которая зависит от температуры, давления, минерализации и содержания газов в свободном состоянии.
Расчет пьезометрического напора (меры энергии потока) межпластовых вод осуществляется согласно формулам:
-энергия давления жидкости в данной единой точке потока;
Z – энергия положения относительно единой плоскости сравнения;
hk – напор над кровлей водоносного пласта.
Линия, соединяющая (на разрезе) точки установившегося уровня напорных межпластовых вод, называется пьезометрической кривой, поверхность, до которой поднимаются уровни напорных вод, -пьезометрической поверхностью. Гидроизопьезы – линии равных напоров, характеризуют воображаемую пьезометрическую поверхность.
Межпластовые воды могут быть самоизлившимися, если пьезометрическая поверхность выше поверхности земли (фонтанирующая скважина).
Особенности артезианских вод:
1) водоносный горизонт изолирован водоупорами и снизу и сверху;
2) при вскрытии их уровень располагается выше кровли водоносного пласта;
3) в меньшей степени, чем грунтовые, подвержены загрязнению с поверхности земли;
4) стабильный режим;
5) преобладание перетоков, как нисходящих, так и восходящих, в зависимости от структурно-тектонического положения,
6) характерен упругий режим фильтрации.
Выделяются 3 схемы формирования потока межпластовых подземных вод (рис.1):
1). Артезианская – такие воды развиты в верхней части геол. разреза, обычно на участках с наклонным залеганием г.п., область разгрузки формируется в понижении рельефа.
2). Схема формирования потоков межпластовых вод с перетеканием (схема А.Н.Митяева) – в междуречье происходит нисходящая фильтрация, что является областью питания водоносных горизонтов, величины напоров подземных вод уменьшаются с увеличением глубины залегания водоносного горизонта на центральных участках междуречных пространств. В области разгрузки наоборот – увеличивается.
3). Схема элизионного движения образуется за счет поступления поровых растворов, отжимаемых из уплотняющихся г.п., максимальные объемы элизионных вод формируются на участках пригибания земной коры.
Хим. состав межпластовых вод зависит от состава вмещающих пород, от глубины их залегания и от динамики движения. Режим межпластовых вод более стабилен, чем у грунтовых вод. В ненарушенных условиях глубина стабильного режима около 100м, а в техногенно нарушенных условиях изменение режима фиксируется на глубинах 1,5км.
В настоящее время выделены 2 типа артезианских вод: инфильтрационные; элизионные.
Межпластовые подземные воды
Межпластовыми водами называют водоносные горизонты, залегающие между двумя водоупорными слоями.
В зависимости от условий залегания они могут иметь свободную поверхность или обладать напором.
Межпластовые ненапорные воды встречаются сравнительно редко. Уровень этих вод располагается ниже кровли первого водоупора, т.е. водопроницаемый слой не имеет полного заполнения.
По условиям передвижения и характеру напоров эти воды аналогичны грунтовым водам.
Однако область питания межпластовых вод не совпадает с областью ихраспространения.
Питание вод происходит на участках выхода водоносного пласта на дневную поверхность или путем фильтрации из рек и других поверхностных водотоков и водоемов.
Рис. 37. Артезианский бассейн области:
а — питания напорных вод; б — напора; в — разгрузки; 1 — уровень грунтовых вод; 2 — пьезометрический уровень напорных вод; 3 — водоносный напорный пласт; 4 — водоупоры; 5—скважины; Н — величина пьезометрического напора
Межпластовыми напорными или артезианскими называют воды, залегающие между двумя водоупорными слоями и обладающие гидростатическим напором.
В отличие от межпластовых ненапорных вод артезианские воды полностью насыщают водопроницаемый слой от подошвы до кровли.
При вскрытии напорного водоносного пласта скважинами вода поднимается выше его водоупорной кровли, а при сильном напоре и низких абсолютных отметках земной поверхности может самоизливаться на поверхность с высотой фонтанирования до нескольких десятков метров.
Артезианские воды обычно залегают на большой глубине и приурочены к синклинальным (прогнутым) геологическим структурам.
При синклинальном залегании пластов создаются наиболее благоприятные условия для образования гидростатического напора. Напорные воды встречаются и при моноклинальном (односклоновом) залегании водоносных пластов, если последние резко изменяют свою водопроницаемость или выклиниваются.
Область питания распространена в приподнятой части артезианского бассейна, в месте выхода водопроницаемых слоев на поверхность.
Движение подземного потока в пористых породах (песок, супесь, суглинок) имеет параллельно-струйчатый, или ламинарный, характер, т. е. без разрывов и пульсаций, с плавным изменением скорости и подчиняемости закону Дарси.
Фильтрация в полностью водонасыщенных грунтах при ламинарном режиме движения выражается уравнением:
где Q — расход воды или количество фильтрующей воды через поперечное сечение F в единицу времени, м3/сут;
kф — коэффициент фильтрации, м/сут;
F— площадь поперечного сечения потока воды или водоносного пласта, м2;
∆Н — разность напоров, м;
l — длина пути фильтрации, м;
I — напорный градиент.
1. Классификация подземных вод по условиям залегания.
2. Условия залегания водоносных горизонтов и их режим.
3. Круговорот воды в природе.
4. Охарактеризуйте верховодку, грунтовые воды, артезианские воды.
5. Основные законы движения подземных вод.
Инженерно-геологические изыскания являются обязательными при проектировании и строительстве всех объектов: железных и автомобильных дорог, жилых и промышленных зданий, гидротехнических сооружений, горных предприятий, карьеров по добыче полезных ископаемых и др.
Это обусловливается тем, что инженерно-геологические условия оказывают в большинстве случаев решающее влияние на размещение и конструкцию проектируемых сооружений, технологию производства строительных работ и стоимость строительства.
В соответствии со СНиП 11.02-96 инженерно-геологические изыскания должны обеспечить изучение инженерно-геологических условий района или участка строительства:
определение геологического строения (литологии, тектоники, возраста пород, степени их выветрелости), геоморфологии,изучение гидрогеологии, выявление неблагоприятных физико-геологических процессов и явлений, определение физико-механических свойств грунтов, составление прогноза изменения инженерно-геологических условий района (участка) строительства при возведении и эксплуатации зданий и сооружений.
В состав инженерно-геологических изысканий входят следующие их виды: сбор, изучение и обобщение материалов о природных условиях района строительства по изысканиям прошлых лет, инженерно-геологические рекогносцировка, съемка и разведка.
Последовательность, состав, объемы и детальность отдельных видовработ применительно к основным стадиям проектирования определяются нормативными документами по инженерным изысканиям для конкретных видов строительства (дорожного, гражданских и промышленных зданий и сооружений, гидротехнического и др.) и устанавливаются проектом и программой работ, составляемых на основе технического задания, выдаваемого проектной изыскательской организацией.
Инженерно-геологические исследования в стадии проектного задания выполняются в пределах выбранных участков и имеют целью выбора конкретной площадки для строительства данного объекта; полученные сведения позволяют проектировщикам обосновать компоновку основных и вспомогательных сооружений, выбрать тип и конструкцию основаниясооружений, разработать наиболее рациональную технологию производстваземляных работ и решить ряд других вопросов.
В полевой период производят все инженерно-геологические работы, предусмотренные проектом для данного участка:
• инженерно-геологическую съемку;
• разведочные (буровые и горно-проходческие) работы и геофизические исследования;
• опытные полевые исследования грунтов;
• изучение подземных вод;
• анализ опыта местного строительства и т. д.
Инженерно-геологическая съемка. Представляет собой комплекс работ по изучению геологического строения территории — стратиграфии, литологии,трещиноватости, степени выветрелости горных пород; геоморфологических особенностей изучаемой площади; гидрогеологических условий территории — наличия водоносных горизонтов, условий их залегания, характера движения подземных вод, их химического состава и т. д.; физико-геологическихпроцессов и явлений.
Дается прогноз инженерно-геологических процессов и явлений, которые могут возникнуть в результате взаимодействия построенных сооружений с окружающей средой.
В случае вероятности неблагоприятного воздействия природных условий на строительство и эксплуатацию проектируиемых сооруженийпредусматриваются профилактические мероприятия, выполнение которых позволит обеспечить прочность и надежность сооружений в эксплуатации.
При отборе монолитов для лабораторного определения физико-механических свойств грунтов необходимо, чтобы каждая литолого-генетическая разновидность грунта была изучена не менее чем на шести образцах на участке проектирования сооружения или их комплекса и на нужную глубину (в пределах сжимаемой или активной зоны).
Из всех пройденных водоносных горизонтов отбираются пробы воды на анализ с целью определения ее агрессивности по отношению к материалам, из которых будут возводиться укрепительные, защитные,водоотводные, дренажные и другие сооружения, а также для определения возможности использования подземных вод для водоснабжения.
В течение камерального периода производят обработку полевых материалов и результатов лабораторных анализов, составляют инженерно-геологический отчет с соответствующими графическими приложениями в виде карт, разрезов и т. д.
Инженерно-геологический отчет является итогом инженерно-геологический изысканий. Отчет передается проектной организации, и на его основе выполняется необходимая проектная документация для строительства.
В общем виде отчет состоит из введения, общей и специальнойчастей, заключения и приложений. Во введении указывают место проведения изыскательских работ и время года, исполнителей и цель работ. В общей части, в ее отдельных главах дается описание:
• рельефа, климата, растительности, населения;
• геологической обстановки с приложением геологических карт и разрезов;
В специальных главах большое внимание уделяется грунтам и подземным водам.
Грунты являются основным объектом исследований, поэтому указываются: какие грунты, их свойства, выраженные в цифрах, что необходимо для определения расчетных характеристик, пригодность грунтов для строительства объекта.
Подземные воды оцениваются в двух направлениях: как источники водоснабжения при строительстве и эксплуатации объекта и как они могутпомешать строительству.
В этих случаях даются рекомендации по строительному водопонижению и устройству дренажей на период эксплуатации объекта.
В заключительной части отчета дается общая инженерно-геологическая оценка участка по пригодности для данного строительства.
Отчет обязательно должен иметь приложение, в котором дается различный графический материал (карты, разрезы, колонки скважин и др.), а также таблицы свойств грунтов, химических анализов воды, каталог геологических выработок и др.
Инженерно-геологический отчет должен давать ответы на всевопросы, которые стоят перед строителем.
Основными требованиями к инженерно-геологическим изысканиямявляются:
1) оценка общих условий территории;
2) обеспечение геологическими данными для выбора типа основания и конструкций фундамента;
3) определение характера воздействия на грунты динамических нагрузок;
4) возможное влияние на устойчивость объекта инженерно-геологических процессов;
5) влияние на объект подземных вод;
6) состав и свойства грунтов как несущих оснований и особенности производства земляных работ;
7) прогноз влияния объекта на природную среду, в частности, по загрязнению земли, атмосферы и гидросферы.
Буровые и горнопроходческие разведочные работы являются существенной частью инженерно-геологических и гидрогеологических полевых исследований.
С помощью буровых скважин и горных выработок (шурфов, штолен и др.) (рис. 175) выясняют геологическое строение и гидрогеологические условия строительной площадки на необходимую глубину, отбирают пробы грунтов и подземных вод, проводят опытные работы и стационарные наблюдения.
К главнейшим разведочным выработкам относят расчистки, канавы, штольни, шурфы и буровые скважины.
Расчистки, канавы и штольни относят к горизонтальным выработкам. Их целесообразно применять на участках, сложенных крутопадающими слоями.
При слабонаклонноми горизонтальном залегании слоев следует проходить шурфы и буровые скважины.
Расчистки — выработки, применяемые для снятия слоя рыхлогоделювия или элювия с наклонных поверхностей естественных обнажений горных пород.
Канавы (траншеи) — узкие (до 0, 8 м) и неглубокие (до 2 м) выработки, выполняемые вручную или с помощью техники с целью обнажения коренных пород, лежащих под наносами.
Штольни — подземные горизонтальные выработки, закладываемые на склонах рельефа и вскрывающие толщи горных породв глубине массива. Стены штольни, как правило, крепятся, если их проходят в нескальных породах.
Шурфы — колодцеобразные вертикальные выработки прямоугольного (или квадратного) сечения. Шурф круглого сечения
называют «дудкой». Проходку дудок легче механизировать, но по прямоугольным шурфам проще и точнее определить положение слоев в пространстве.
Шурфы помогают детально изучать геологическое строение участка, производить отбор любых по размеру образцов с сохранением ихструктуры и природной влажности.
Недостатком является высокая стоимость и трудоемкость работ по отрывке шурфов, особенно в водонасыщенных породах.
Следует отметить, что за последнее время появились специальные шурфокопательные машины, позволяющие проходить шурфы круглого сечения. Размер шурфов в плане зависит от их предполагаемой глубины. Чаще всего это 1 х 1 м; 1 х 1, 5 м; 1, 5 х 1, 5 м и т. д. Диаметр дудок не превышает 1 м. Обычно глубина шурфа бывает 2—3 м, максимально до 4—5 м.
По мере проходки шурфа непрерывно ведут геологическую документацию — записывают данные о вскрываемых породах, условиях их залегания, появлении грунтовых вод; производят отбор образцов.
По всем четырем стенкам и дну делают зарисовку и составляют развертку шурфа. Это позволяет более точно определить мощность слоев и элементы их залегания в пространстве.
По окончании разведочных работ шурфы тщательно засыпают, грунт утрамбовывают, а поверхность земли выравнивают.
Буровые скважины представляют собой круглые вертикальные или наклонные выработки малого диаметра, выполняемые специальным буровым инструментом.
В буровых скважинах различают устье, стенки и забой (рис. 177).
Рис. 177. Буровая скважина: 1 — устье; 2 — стенки; 3 — забой
Бурение является одним из главнейших видов разведочных работ, применяется в основном для исследования горизонтальных или пологопадающих пластов.
С помощью бурения выясняют состав, свойства, состояние грунтов, условия их залегания.
Работа основывается на исследовании образцов пород, которые непрерывно извлекаются из скважины по мере ее углубления в процессе бурения.
В зависимости от способа бурения и состава пород образцы могутбыть ненарушенной или нарушенной структуры. Образцы ненарушенной структуры получили название керна.
К преимуществам бурения относят: скорость выполнения скважин, возможность достижения больших глубин, высокую механизацию производства работ, мобильность буровых установок.
Бурение имеет свои недостатки: малый диаметр скважин не позволяет производить непосредственный осмотр стенок, размер образцов ограничивается диаметром скважины, по одной скважине нельзя определить элементы залегания слоев.
Диаметр скважин, используемых в практике инженерно-геологических исследований, обычно находится в пределах 100—150 мм.
При отборе образцов на лабораторные испытания скважины следует бурить диаметром не менее 100 мм. Глубина скважин определяетсязадачами строительства и может составлять десятки метров; при гидротехническом строительстве достигает сотен метров, при поисках нефти и газа — нескольких километров.
При инженерно-геологических исследованиях применяют такие виды бурения, которые позволяют получать образцы пород.
Проходка скважин в слабых и водонасыщенных породах бывает затруднена вследствие обваливания и оплывания стенок. Для их крепления применяют стальные обсадные трубы, которые опускают в скважины и продолжают бурение.
По мере проходки буровой скважины оформляется ее геологическая документация в виде геолого-литологической колонки, на которой видно, как залегают слои, их мощность, литологический тип, глубина залегания уровня грунтовых вод, места отбора образцов пород в виде керна, возраст пород в индексах (рис. 179).
Рис. 179. Геолого-литологическая колонка буровой скважины
Буровые колонки составляют в масштабе 1: 100—1: 500. После завершения бурения скважина засыпается.
Отбор образцов пород и проб воды.
Отбор образцов производят из обнажений, буровых скважин, шурфов и других выработок. Пробы отбирают послойно, на всю глубину выработки, но не реже чем через каждые 0, 5—1, 0 м.
Наиболее детально опробуется слой, который будет несущим основанием сооружений. Из всех образцов, полученных при инженерно-геологических исследованиях, 5—10 % отбирают для последующих лабораторных анализов.
Для инженерно-геологических работ обязателен отбор монолитов, т. е. образцов с сохранением их структуры. Особенно это важно при отборе образцов из слоев связных дисперсных пород(глины, суглинки), в которых кроме структуры необходимо сохранить природную влажность.
В шурфах и обнажениях отбирают монолиты в форме, близкой к кубу, с размерами от 10 х 10 х 10 см до 30 х 30 х 30 см. Из буровых скважин с помощью грунтоносов отбирают цилиндрические монолиты высотой 20—30 мм.
Монолиты немедленно парафинируют для сохранения их естественной влажности, т. е. обматывают слоем марли, пропитанной парафиногудронной смесью, подогретой до 60—650С. Монолиты предохраняют от сотрясения и промерзания и хранят обычно не более 1, 5 месяцев.
Помимо монолитов, отбирают образцы нарушенной структуры и образцы рыхлых пород. Вес каждой такой пробы составляет до 0, 5 кг.
Пробы подземной воды берут из каждого водоносного горизонта в количестве от 0, 5 до 2 л.
Геофизические методы исследования обычно сопутствуют разведочным работам и в ряде случаев позволяют значительно сократить объем шурфования и бурения. В большинстве случаев они применяются параллельно с другими исследованиями. С их помощью с определенной степенью достоверности можно изучать физические и химические свойства пород и подземных вод, условия залегания, движение подземных вод, физико-геологические и инженерно-геологические явления и процессы.
Электроразведка основана на исследовании искусственно создаваемого в массивах пород электрического поля. Каждые породы, в том числе сухие и насыщенные водой, характеризуются своим удельным электрическим сопротивлением. Чем больше разнятся эти удельные сопротивления между собой, тем точнее результаты электроразведки для данной строительной площадки.
Наибольшее применение при инженерно-геологических исследованиях нашло вертикальное электрозондирование.
Вертикальное электрическое зондирование (ВЭЗ) позволяет определять глубину залегания коренных пород и уровень подземных вод, дна речных долин, выделять слои различного литологического состава, в том числе водопроницаемые и водоупорные пласты и т. д.
Сущность этого метода заключается в том, что по мере увеличения расстояния между питающими электродами А и Б (рис. 181) линии токов перемещаются в глубину. Глубина электрического зондирования зависит от расстояния между точками А и Б и составляет в среднем 1/3 (или 1/4) этого расстояния. Измеряя силу тока между питающими электродами А и Б и разность потенциалов между приемными электродами В и Г, можно найти значения электрического сопротивления пород. По этим данным, например, можно уже построить геологический разрез. На рис. 182 показана кривая ВЭЗ в сопоставлении с данными бурения. Рисунок показывает, что ВЭЗ четко определяет геологическое строение данной толщи пород. *
Рис. 180. Электропрофилирование толщи пород:
2—5 — электроды
1 — измерительный прибор;
Рис. 181. Вертикальное электрическое зондирование (ВЭЗ) толщи пород:
1 — потенциометр; 2— источник питания; А, Б, В, Г—электроды; 3 — эквипотенциальные
линии; 4 — линии тока
Рис 182. Электроразведка толщи пород:
а — электропрофиль через карстовую полость, заполненную песком, б—карстовая полость с песком в известняках; в — буровая колонна; г — кривая ВЭЗ
Геологические карты и разрезы. После окончания работ по инженерно-геологической съемке и проходке буровых скважин и горно-проходческих выработок создаются геологические карты и разрезы, которые являются важнейшей и обязательной геологической документацией при решении вопросов строительства.
Карты составляются в основном для больших площадей, где намечается крупное строительство. Разрезы создаются во всех без исключения случаях строительства.
Геологические карты представляют собой проекцию геологических структур на горизонтальную плоскость.
По этим картам можно судить о площади распространения тех или иных пород, условиях их залегания, дислокациях и т. д.
Все карты подразделяют на карты коренных пород и четвертичных отложений.
Четвертичные отложения покрывают поверхность земли почти сплошным чехлом, скрывая от глаз человека коренные породы, или, иначе говоря, породы дочетвертичного возраста. На картах четвертичных отложений принято показывать расположение в плане пород различного происхождения (речные, ледниковые и т. п. ) и литологического состава, расположенных на поверхности земли.
Карты коренных пород показывают горные породы (характер залегания, литологический состав и т. д.), которые располагаются под четвертичными отложениями и скрыты от прямого наблюдения.
Среди геологических карт коренных пород выделяют несколько видов: стратиграфические, литологические и литолого-стратиграфические. Кроме того, для различных целей составляют карты специального назначения, среди которых основное место занимают инженерно-геологические, гидрогеологические и карты строительных материалов.
Рис. 183. Геологические карты: I—четвертичных отложений; II—коренных пород, П — поверхность земли
Стратиграфическая карта показывает границы распространения пород различного возраста. Породы одного и того же возраста на карте обозначают условными буквенными индексами и окрашивают одним цветом. Так, породы юрского периода — синим, мелового — зеленым и т. п. Стратиграфическая карта обычно сопровождается стратиграфической колонкой, которая отражает порядок напластования пород по их возрасту.
Литологическая карта отражает состав пород.
Каждую породу обозначают типовым условным знаком. В практике геологических исследований для строительства чаще составляют литолого-стратиграфические карты, на которых показаны возраст и состав пород.
Инженерно-геологические карты — это сведения о важнейших инженерно-геологических факторах в пределах изучаемой территории. Каждая инженерно-геологическая карта — понятие собирательное и состоит из собственно карты, условных обозначений, геологических разрезов и пояснительной записки.
Рис. 184. Условные обозначения пород на литологических и других видах карт и разрезов
Для составления инженерно-геологических карт используют карты топографические, геологические всех видов, гидрогеологических исследований, свойств породы и т. д.
Инженерно-геологические карты бывают трех видов: 1) инженерно-геологических условий, 2) инженерно-геологического районирования и 3) инженерно-геологические карты специального назначения.
Карта инженерно-геологических условий содержит информацию с расчетом на удовлетворение всех видов наземного строительства. Ее используют для общей оценки природных условий местности, где будет осуществлено строительство.
Карта инженерно-геологического районирования отражает разделение территории на части (регионы, области, районы и т. д. ) в зависимости от общности их инженерно-геологических условий.
Карты специального назначения составляют применительно к конкретным видам строительства или сооружения. Они содержат оценку инженерно-геологических условий территории строительства и прогноз инженерно-геологических явлений.
В среднем за 75 лет жизни современный гражданин развитых стран так или иначе, в качестве питьевой или на хозяйственно-гигиенические цели (стирка, мытьё, туалет и прочее), потребляет от 3,8 до 19 млн литров воды. То есть от 138 до 694 литров в сутки. Жители не слишком цивилизованных районов на собственные нужды расходуют в разы меньше — за 75 лет всего 380 тысяч литров воды, то есть около 13 литров (одно ведро) в день.
Колодец
Большая часть территории нашей страны не страдает от недостатка воды, но в мире существует немало мест, где живительная влага в принципе — редкость, а дефицит воды, пригодной для питья, существует не только в фантастических фильмах о судном дне. По данным последнего доклада ООН, к 2030 году более половины (67%) населения нашей планеты будут испытывать нехватку питьевой воды.
Как говорится в песенке из знаменитого советского фильма: «Ни побриться, ни попить, ни помыться, ни поплыть, человеку без воды — и ни туды и ни сюды!»
Вода — наша абсолютная необходимость
В загородном доме вопрос водоснабжения владельцу часто приходится решать собственными силами, потому что магистральный водопровод есть далеко не везде, да и качество водопроводной воды может не устраивать: например, напор слабый, а вода ржавая. И если горожанин вынужден мириться с тем, что ему поставляют коммунальные службы, используя локальные методы борьбы — устанавливая напорные насосы, расширительные баки и фильтры очистки, то землевладелец может попробовать решить проблему водоснабжения в свою пользу. Один из способов получения воды для бытовых нужд человека — это использование подземных вод.
Колодцы и скважины для добычи подземной воды используются людьми с давних пор. Не утратили они своего значения и по сей день: наличие воды на участке значительно повышает стоимость недвижимости. А возможность иметь свою воду решает вопросы не только комфорта, приближенного к привычным городским условиям, но и позволяет землевладельцу стать автономным, независимым от капризов коммунальных служб.
Откуда она берётся
Наша Земля — планета воды: более 70% её поверхности покрыто Мировым океаном. Подземные воды — часть водных ресурсов планеты. Они составляют примерно 1,5% от всех мировых водных запасов и две трети от объёма всей воды суши. Объём воды, находящейся под землёй, в 50 тысяч раз превосходит количество воды, наполняющее все реки на Земле.
Вода — это жизнь
Водные ресурсы Земли представляют собой единый комплекс, находящийся в постоянном динамическом равновесии, называющимся круговоротом воды в природе. Их объём составляет 1 351 421 тысяч кубических километров, из которых:
Схема круговорота воды в природе
Подземными называют воды, находящиеся ниже уровня поверхности земли, в горных породах верхних областей земной коры в жидком, газообразном или твёрдом состоянии. Жидкую часть подземных вод, находящуюся в свободном состоянии, способную перемещаться под действием сил гравитации, гидрогеологи именуют фреатическими, то есть «наполняющими колодцы».
Фреатические воды, в зависимости от степени водопроницаемости, влагоёмкости и способности к водоотдаче горных пород, в которых они накапливаются, образуют водоносные горизонты, совокупность которых формирует водоносные комплексы.
Водоносный горизонт
Водоносным горизонтом (в иностранных источниках — аквифером) называют пласты осадочных горных пород, близкие по своему составу и происхождению, и имеющие определённую степень водопроницаемости. Существует четыре основных типа горных пород, составляющих аквиферы:
В рыхлых, несцементированных породах вода накапливается в порах, в уплотнённых — в трещинах и кавернах, в водорастворимых типа гипса, известняка или доломита — в карстах.
Водоносные горизонты подстилаются водонепроницаемыми или слабо водопроницаемыми пластами — массивами гранита, глины. Водонепроницаемые пласты называются водоупорами. Надо понимать, что полностью водонепроницаемых грунтов нет: вода дырочку найдёт. Говоря о том, что пласт водонепроницаем, имеют в виду его крайне слабую водопроницаемость.
Родник Соколовский ключ в Валдайском районе
В большинстве случаев водоносные горизонты скрыты под поверхностью почвы: для добычи воды аквиферы вскрывают с помощью колодцев или скважин. Но бывает, что они вскрываются естественным путём, обнажаясь на склонах холмов или оврагов. Такое место выхода подземной воды на поверхность называют ключом или родником.
Откуда берётся вода в водоносном горизонте
Происхождение подземных вод различно в зависимости от глубины их залегания. В нижних слоях земной коры находятся метаморфогенные, магматогенные и седиментогенные подземные воды. Они появились миллионы лет назад, во время формирования земной коры: при извержении вулканов (магматогенные), метаморфизма осадочных горных пород (метаморфогенные) или в результате выдавливания воды последующими наслоениями из иловых осадков древних морей (седиментогенные). Такие подземные источники воды представляют величайший интерес для геологов, гидрогеологов и палеонтологов, но совершенно бесполезны для дачников и владельцев загородных домов, мечтающих о водопроводе на собственном участке.
С точки зрения строительства колодцев и бурения скважин интересны верхние водоносные горизонты. Именно они и участвуют в круговороте воды в природе. Верхние водоносные горизонты пополняются в основном за счёт инфильтрации (просачивания) атмосферных осадков: дождей и талых вод. В их питании участвуют и воды, фильтрующиеся из наземных источников — рек, озёр, болот.
Верхние водоносные горизонты пополняются за счёт инфильтрации атмосферных осадков, вод рек, озёр, болот.
Почвенные, грунтовые, межпластовые и артезианские подземные воды
Человек, планирующий копать колодец или бурить скважину, сталкивается с тем, что разновидностей подземных вод много. Они находятся на разной глубине под землёй, обладают различными свойствами. Кто-то категорически утверждает, что бурить нужно только «на известняк», другие считают, что «на песок» тоже подойдёт. Верховодкой во многих случаях презрительно именуют неглубокие грунтовые воды, и применять их для питья категорически не рекомендуют. Как разобраться, какие бывают водоносные слои, на сколько колец стоит копать колодец и на какую глубину бурить скважину?
Итак, рассмотрим классификацию подземных вод. Стоит иметь в виду, что она, как и любая классификация, условна: чёткой границы между водоносными слоями нет. А толщина или влагоёмкость того или иного слоя зависит от геологии участка.
Почвенные воды
Почвенные воды составляют самый верхний уровень подземных вод: они располагаются в корнеобитаемой зоне почвы — в плодородном пласте, где размещаются корни травянистых растений и поверхностная корневая система деревьев. Запасы почвенной влаги пополняются дождевыми и талыми водами и активно испаряются в атмосферу, то есть её объём очень сильно зависит от процессов испарения и транспирации.
Схема водоносных слоёв
Нижняя часть зоны почвенных вод называется подвешенной (вадозной). Зона подвешенной воды насыщается и вода начинает под действием сил тяготения просачиваться в нижние слои грунта. Эта вода называется гравитационной. Если осадков было много, например, в дождливый осенний сезон или по весне при активном таянии снега, движение гравитационных вод усиливается. Почвенные воды имеют большое значение в жизни растений, но для нужд водоснабжения человека не используются.
Грунтовые воды
Водопроницаемые породы, находящиеся под плодородным слоем почвы, образуют первый постоянно существующий водоносный горизонт. Как правило, первый водоносный горизонт составляют несцементированные отложения. Вода в этом слое заполняет поры между частицами породы: это и есть тот уровень, который на профессиональном сленге бурильщиков называется «на песок».
Его насыщаемость влагой довольно сильно зависит от количества атмосферных осадков и температурных колебаний — в малодождливые годы уровень грунтовых вод может сильно понижаться. Кроме того, грунтовые воды могут загрязняться. Именно поэтому в санитарных требованиях по устройству туалетов с выгребными ямами запрещено делать негерметичные ёмкости для нечистот: в яме без дна загрязнения попадают непосредственно в первый водоносный горизонт.
Выгребная яма должна быть герметичной
Грунтовые воды, благодаря своему относительно неглубокому залеганию, легко доступны и широко используются для нужд водоснабжения частных домов, посёлков и небольших предприятий. Хотя, как уже говорилось выше, на интернет-ресурсах, где обсуждаются вопросы добычи воды, часто грунтовые воды называют верховодкой, не предназначенной для использования в качестве питьевой воды.
Добыча грунтовых вод производится с помощью колодцев и небольших скважин. Эти воды безнапорные: уровень в колодце устанавливается на уровне зеркала грунтовых вод.
Межпластовые воды
Ниже грунтовых вод, отделённые от них пластами водонепроницаемых или слабо проницаемых горных пород, составляющих водоупорный слой, располагается следующий слой водопроницаемых пород, образующий второй водоносный горизонт. Он слагается из более плотных пород, в которых вода заливается в трещины, образуя заполненные полости. Питание второго водяного горизонта осуществляется просачиванием (инфильтрацией) грунтовых вод через пласты со слабой проникающей способностью. Также это происходит в местах, где водовмещающие слои межпластовых вод выходят ближе к поверхности, в разрывах водоупорного слоя верхнего водяного горизонта.
Их уровень гораздо меньше подвержен колебаниям от воздействия атмосферных осадков или температур на поверхности земли. Глубокое залегание предохраняет межпластовые воды от загрязнений. Подземные воды, расположенные на большой глубине, под водоупорами, уже могут иметь гидростатическое давление. В этом случае они называются напорными. Межпластовые воды относятся к возобновимым полезным ископаемым, а значит, к государственной собственности (Закон РФ «О недрах»).
Выброс термальной воды и пара из скважины на Мутновской ГеоТЭС. Камчатка
Кроме хозяйственно-бытовых целей и технического водоснабжения (для промышленности, орошения земель, обводнения пастбищ), подземные воды используются в лечебных целях (минеральные воды), в энергетической отрасли (геотермальные воды) и в промышленности — для извлечения растворённых в них ценных веществ.
Артезианские воды
Артезианские воды — это разновидность межпластовых подземных вод. Их отличие в том, что они полностью заполняют водоносный горизонт и находятся в нём под давлением. Напорные воды обычно залегают в пределах геологических структур, имеющих вогнутое строение — в мульдах, флексурах, образуя артезианские бассейны.
Схема артезианского бассейна
При вскрытии такого водоносного горизонта уровень воды в скважине поднимается выше уровня зеркала грунтовых вод, иногда свободно изливаясь из скважины фонтаном. Артезианские воды, как правило, расположены на большой глубине — от 100 до 1000 метров. В некоторых интернет-источниках артезианскими называют все скважины, имеющие большую глубину, что не совсем правильно. Первоначально артезианскими называли именно фонтанирующие скважины, сейчас термин «артезианские» относят ко всем напорным водам.
Артезианская фонтанирующая скважинаДля водоснабжения обычно используют два верхних водоносных горизонта. Вода, находящаяся на больших глубинах, чаще всего имеет повышенную минерализацию, да и добыча её спряжена с большими финансовыми расходами.
Верховодка
И, наконец, о верховодке. Специалисты и интересующиеся вопросом добычи подземных вод не рекомендуют использовать верховодку в качестве источника питьевой воды. И правильно делают, потому что верховодка не является постоянным водоносным горизонтом. Она появляется сезонно, во время весеннего таяния снега или в период продолжительных осенних дождей.
Верховодка характерна для глинистых и суглинистых почв. Появление её связано с накоплением воды над слабопроницаемыми для воды грунтами: глинистые почвы набухают от обильной влаги и перестают пропускать воду атмосферных осадков в лежащие ниже слои грунта.
Яма, наполненная «верховодкой»
На поверхности земли образуются скопления воды в естественных углублениях, вода появляется и ниже — в метре — полутора от поверхности. В песчаных грунтах верховодка более редка и образуется локально, на временных водоупорах — прослойках глины в основном песчаном грунте.
Использовать верхние воды для нужд водоснабжения загородного дома не стоит: они имеют ярко выраженный сезонный характер, количество их недостаточно. А самое главное — такие воды загрязнены. В силу своего неглубокого местоположения они ещё не успели очиститься, проходя через естественный фильтр — толщу земли. Верховодку можно использовать для полива, искусственно углубив природные понижения, где она скапливается по весне, как, например, на фото выше.
Верховодку можно спутать с высоко стоящим уровнем грунтовых вод. Первый водоносный горизонт может начинаться довольно неглубоко от поверхности земли: в северных регионах — от 50 см (в районе тундр). С перемещением на юг глубина расположения водоносного пласта увеличивается: от 3-5 метров в средней полосе до 15-20 в южных районах. В сельской местности, вдалеке от автострад и промзон, очень часто питьевые колодцы имеют небольшую глубину. Так, к примеру, в нашей деревне общественный колодец всего на три кольца.
Общественная водоразборная колонка
Вот и всё о том, какие бывают водоносные горизонты. А информацию, что лучше для дачного участка — колодец или скважина, на какую глубину следует копать или бурить, как определить уровень грунтовых вод, а так же о правовом аспекте добычи подземной воды читайте в других материалах.
Характеристика
Чаще всего под источниками водоснабжения, подразумеваются природные ресурсы в виде поверхности, земли и прослоев, атмосферы. Это могут быть реки, водохранилища, глубокие артезианские воды и другие объекты.
Каждый источник имеет свое происхождение, отличается составом, качественными характеристиками с точки зрения потребления и санитарной надежности. Комплекс этих свойств дает ответ на вопрос, можно ли использовать данную воду для определенных целей.
Характеристики также определяют объем, в котором могут быть использованы конкретные источники воды. Например, артезианская вода сама по себе отличается благоприятными санитарными свойствами, которые делают ее пригодной для бытового использования.
Ресурсы поверхностных источников воды обычно используются для бытовых целей, так как они наименее пригодны для приготовления пищи из-за их уязвимости к загрязнению. Однако существуют специальные системы очистки таких вод с подключением дезинфицирующих средств.
Классификация
Типы источников водоснабжения:
Атмосферные воды : дождь, снег, лёд.
Поверхностные воды: моря, реки, водохранилища, озера, ручьи и т.д.
Подземные воды: Верховодные, грунтовые, межпластовые напорные (артезианские и ненапорные.
Природные источники поверхностных вод включают в себя:
Поверхностные источники водоснабжения имеют большую площадь водной поверхности. Доступную для организации различных природных и антропогенных процессов, и большую пропускную способность годового стока.
Эти факторы определяют приоритет поверхностных водных объектов. При выборе источника водоснабжения для крупных промышленных центров и населенных пунктов с большим населением.
Главной характеристикой водохранилищ является большой объем воды. Это открытые водоемы, где процветает биологическая жизнь. У них свое преимущество — это самоочищение воды.
Но есть и недостаток — это загрязнение всеми видами химических и бактериологических процессов. Наиболее загрязненными источниками водоснабжения являются поверхностные воды.
Лучшими источниками поверхностного водоснабжения являются реки. Чаще всего они используются для городского водоснабжения.
Для большинства рек основными источниками водоснабжения являются дождь, снег и ледниковая вода. В сухое время года и в период замерзания грунтовые воды являются источником водоснабжения рек.
Реки, как правило, имеют несколько источников снабжения с преобладанием одного или двух из них, варьирующихся в зависимости от времени года.
Озера и пруды используются для небольших поселений. Искусственные водохранилища используются как сложная конструкция для всех видов водопроводных сетей.
Следует отметить, что санитарно-гигиенические характеристики поверхностного источника водоснабжения не являются постоянными. Все дело в том, что бактериальный и химический состав воды часто меняется, особенно в сезон дождей или таяния снега.
Например, летом во многих водоемах происходит цветение воды, что значительно ухудшает качество воды из-за продуктов распада флоры и фауны.
Особенности
Реки и водохранилища, построенные на них с этой целью, чаще всего используются для организации централизованного, промышленного или бытового водоснабжения.
Характерными показателями качества речной воды являются высокая цветность и мутность (особенно в период половодья). Высокое содержание природных органических веществ (гуминовой и фульвовой кислот. Растительной и животной органики), обильная микрофлора.
В то же время речная вода характеризуется низкой минерализацией и низкой карбонатной жесткостью, что является одним из безусловных требований в системах промышленного водоснабжения.
Озерная вода характеризуется крайне низким содержанием взвешенных веществ, т.е. озерные воды, особенно образующиеся в горных районах, имеют низкую мутность и цвет. Степень солености воды в озерах весьма различна.
Поверхностные водные источники характеризуются значительными сезонными колебаниями показателей качества воды и количества загрязняющих веществ в них.
В осенне-весенний период, и особенно во время паводков, показатели мутности и цветности резко возрастают. Эпидемиологические показатели значительно ухудшаются, а общая твердость, наоборот, снижается.
Качество речной воды в значительной степени зависит от интенсивности атмосферного стока, таяния снега, поверхностного стока с сельскохозяйственных угодий и мест скота, городского и ливневого стока, а также неочищенных или неочищенных промышленных сточных вод.
Поверхностные источники водоснабжения, из-за их доступности более подвержены загрязнению, чем грунтовые воды.
Характер и степень загрязнения определяются количественным и качественным составом неочищенных или недостаточно очищенных сточных вод.
Сбросами из ирригационных систем, наличием рыболовецких хозяйств, рыболовецких предприятий и мест массового купания.
Наиболее частыми загрязнителями из поверхностных источников являются различные органические и неорганические соединения, патогены кишечника, простейшие и яйца гельминтов.
Среди химических веществ в речных водах чаще всего встречаются фенолы, нефтепродукты, синтетические поверхностно-активные вещества, хлорорганические и другие пестициды, алифатические амины, ароматические углеводороды и соли тяжелых металлов.
В орошаемых сельскохозяйственных районах оросительные каналы могут использоваться в качестве источников воды, вода которых небезопасна по эпидемическим показателям и содержит огромное количество пестицидов. Невозможно использовать такую воду без предварительной обработки.
Использование поверхностных источников
Поверхностные источники воды широко используются в централизованном бытовом и питьевом водоснабжении крупных городов в связи со следующими обстоятельствами:
Однако открытые водоемы постоянно загрязняются пылью из окружающего воздуха, сточными водами из населенных пунктов и сточными водами промышленных предприятий.
Вода в реках и озерах содержит минеральные и органические примеси (зерна песка, глины, ила, органические вещества растительного и животного происхождения) в больших количествах.
Для того чтобы поверхностные воды соответствовали санитарно-гигиеническим требованиям к питьевой воде, необходима специальная предварительная обработка — фильтрация, очистка и дезинфекция.
В случае централизованного водоснабжения реализуются дорогостоящие системы водоподготовки с выделением охранной зоны водозабора (для рек охранная зона составляет 100 м и 200 м соответственно выше и ниже по течению).
Стоимость таких мер для отдельных пользователей превышает стоимость бурения артезианской скважины. Поэтому для бытовых нужд и орошения используется нецентрализованная подача воды в дом из открытого водохранилища или самостоятельная подача воды в дом из реки.
это скопление жидкости на поверхности водоупорных или слабопроницаемых пород, которые лежат ближе к поверхности земли и не имеют постоянного распределения.
Они образуются в результате инфильтрации атмосферных и поверхностных вод, захваченных непроницаемыми или слабопроницаемыми швами и линзами, а также конденсации водяного пара в горных породах.
Для них характерна сезонность существования: в периоды засухи они часто исчезают, а в периоды дождей и интенсивного таяния снега вновь появляются.
Подвержены резким колебаниям в зависимости от гидрометеорологических условий (количество атмосферных осадков, влажность воздуха, температура и т.д.). Кроме того, вода, временно появляющаяся в болотных образованиях торфяников, также называется верховодкой.
Верховодка, как правило, пресная вода, с низким уровнем минерализации, но часто загрязненная органическими веществами, содержит большое количество железа и кремниевой кислоты. В целом, не может служить хорошим источником водоснабжения.
Однако, при необходимости, принимаются меры по искусственному сохранению высокого уровня воды: установка прудов; отвод воды из рек, обеспечение постоянной подачи воды в эксплуатируемые скважины; посадка растительности, замедление таяния снега; создание резервуаров для хранения воды и т.д.
В пустынных районах, с помощью канав в глинистых районах — такыров, атмосферная вода отводится на смежные участки песков, где создается линза грунтовых вод, представляющая собой определенный запас пресной воды.
это первый постоянный уровень воды с поверхности земли. Они образуются, в первую очередь, в результате инфильтрации (просачивания) атмосферных осадков и воды из рек, озер, водохранилищ и ирригационных каналов;.
В некоторых местах запасы подземных вод заполняются подъемом воды из более глубоких горизонтов (например, воды из артезианских бассейнов), а также конденсацией водяного пара.
Как правило, грунтовые воды не накладываются на непроницаемые сверху породы, и они не заполняют водопроницаемый слой до полной емкости, поэтому поверхность грунтовых вод свободно стекает, не находясь под давлением.
В некоторых районах, где имеется локальный противофильтрационный слой, грунтовые воды получают местное давление (величина последнего определяется расположением уровня грунтовых вод в прилегающих районах без противофильтрационного слоя). Когда скважина или ствол достигает уровня грунтовых вод, он фиксируется на той глубине, на которой он был обнаружен.
Зоны пополнения и распределения подземных вод совпадают. Следовательно, условия формирования и режим грунтовых вод имеют характеристики, отличающие их от более глубоких артезианских вод: грунтовые воды чувствительны ко всем атмосферным изменениям.
В зависимости от количества осадков поверхность грунтовых вод подвержена сезонным колебаниям: в сухой сезон она уменьшается, во влажный — увеличивается; изменяется также скорость течения, химический состав и температура грунтовых вод.
В непосредственной близости от рек и водохранилищ изменение уровня, скорости течения и химического состава подземных вод определяется характером их гидравлической связи с поверхностными водами и режимом поверхностных вод.
Залегание грунтовых вод
Различия в условиях формирования подземных вод обуславливают зональность их географического распределения, что тесно связано с зональностью климата, почвенного и растительного покрова.
В лесных, лесостепных и степных районах распространены свежие (или слабо минерализованные) грунтовые воды; в сухих степях, полупустынях и низинных пустынях преобладают соленые грунтовые воды, среди которых пресная вода встречается только в отдельных районах.
Подземные источники водоснабжения,, в силу их относительно легкой доступности, имеют большое значение для народного хозяйства как источник водоснабжения промышленных предприятий, городов, поселков, сел в сельской местности и т.д.
Артезианские межпластовые-это подземные воды, заключенные между водоупорными слоями в водоносных пластах под гидравлическим давлением, образующие артезианские бассейны.
После того, как скважина или шурф проходит через непроницаемый слой породы, пока артезианские резервуары не будут готовы, уровень воды поднимается внутри скважины или шурфа над крышей водоносного горизонта.
Иногда вода бьет из земли с большим давлением, образуя фонтаны. Источники артезианского типа чаще всего встречаются на глубинах от 100 до 1000 метров.
В связи с глубиной залегания, эти воды не подвержены воздействию человеческой деятельности в виде загрязнения отходами. На состав источников также не влияют дожди и наводнения.
Вода насыщена солями различных металлов, составляющих землю. Обычно это соли кальция, железа, магния и марганца.
Артезианская вода ценна как источник питьевой воды. Она нуждается в меньшем количестве фильтрации, чем грунтовые воды. В нем меньше бактерий и вирусов. У него низкая концентрация примесей.
Атмосферные осадки как источник водоснабжения
Дождь и снегопад также могут рассматриваться в качестве ресурса для технических и бытовых нужд. Эта вода имеет довольно низкий уровень солености, что делает ее дистиллированной. При необходимости для питья можно также использовать осадки, но только в течение короткого периода времени.
Еще несколько десятилетий назад сбор дождевой воды для различных целей был очень распространен. Но за последние несколько десятилетий использование дождевой воды значительно сократилось. Исключение составляют засушливые регионы.
Однако использование дождевой воды для питья создает определенные риски, к которым особенно восприимчивы пожилые люди, дети и люди с ослабленным иммунитетом. Химическое и бактериальное загрязнение дождевой воды почти всегда присутствует, в той или иной степени.
Дождевая вода позволяет пополнять запасы воды и использовать ее для орошения приусадебных участков.
Качество воды
Что касается гигиенических требований к источникам воды, то следует отметить, что существуют определенные стандарты, которым должна соответствовать вода в них. Если стандарты качества ниже, необходимо будет рассмотреть системы водопочистки.
Качество воды в источниках водоснабжения, должно соответствовать СанПиН 1.2.3685-21 Гигиенические нормативы и требования к обеспечению безопасности и (или) безвредности для человека факторов среды обитания
Как упоминалось выше, самая чистая вода находится в межслойных слоях. А главное требование к девелоперам и операторам проектов — не снижать его качество на стадии добычи и транспортировки. Понятно, что самая грязная вода добывается из поверхностных источников.
Следует отметить, что технологии лечения постоянно совершенствуются. Но на каждом этапе времени используются те, которые имеют технологическое и экономическое обоснование.
Например, существуют технологии, с помощью которых даже самая грязная вода может быть доведена до максимально чистого уровня. Но такие технологии стоят дорого, что не окупит затраты на их приобретение и внедрение.
