Розподіл вологості ґрунтового шару: зона аерації і зона насичення. Пористість гірських порід. Вологість і водні властивості ґрунтів. Рух води в ґрунтах.

У верхньому шарі земної кори, в якому проходить інтенсивний водообмін виділяють шар (зону) аерації, шар (зону) насичення і шари артезіанських (напірних) вод.

Шар аерації – збагачений киснем – включає ґрунти і верхній шар пухких порід. Він розташовується між атмосферою і підземною гідросферою та має потужність 2-30м. Для шару аерації характерний вертикальний рух вологи. В шарі аерації зустрічаються води ґрунтів та верховодка.

Шар насичення – розташовується глибше шару аерації. Його перший постійний водоносний горизонт називається ґрунтовими водами. Ці води не мають напору. Характерною особливістю цього шару є той факт, що всі пустоти в гірських породах, які його складають заповнені гравітаційною водою.

Шар артезіанських (напірних) вод – це води, які розташовуються на досить значній глибині між кількома пластами водотривких порід.

Вода може знаходитись у гірській породі лише за умови наявності вільного простору: пор, тріщин, порожнин. У верхніх осадових шарах земної кори найважливіше значення мають пори – найдрібніші пустоти між частинками породи.

Відношення сумарного об’єму пор (Vn) до загального об’єму породи (V) називається Пористістю (n). Пористість виражають у % або в долях одиниці: n = Vn/V·100%. Пористість залежить від таких фізичних властивостей гірських порід, як щільність і гранулометричний склад. Найбільша вона у дрібнозернистих порід, оскільки вони складені переважно однаковими за розміром частинками. Найменша - у різнозернистих, оскільки в цьому випадку дрібні частинки заповнюють пори між крупними і вільного простору залишається мало.

Середня пористість осадових порід на земній поверхні становить 35-45% (глини – 40-50%, леси – 40-55%, піски -30-40%, пісковики 4-25%, вапняки – 0.6-16%).

Від пористості залежить ВОЛОГОЄМНІСТЬ породи – здатність вміщувати воду. Вологоємність є:

повна – максимальний вміст води в породі при повному насиченні її пор;

капілярна – найбільша кількість води, яка утримується в капілярах при повному їх насиченні;

максимальна молекулярна – для плівкової та гігроскопічної води;

найменша (польова) – кількість води, що утримується в породі при неповному насиченні.

Від вологоємності залежить ВОЛОГІСТЬ – кількість води, яка міститься в породі або ґрунті. Вона буває природна (вміст води в породі за природних умов), вагова (відношення маси води до маси сухої породи), об’ємна (відношення об’єму води до об’єму сухої породи) і відносна (відношення об’ємної вологості до пористості породи).

До водних властивостей ґрунтів належать також:

водопроникність (здатність гірських порід пропускати воду; породи поділяються на водопроникні, напівпроникні і водотривкі);

водовіддача (здатність насиченої водою породи віддавати її шляхом повільного стікання);

дефіцит вологи (недостача насичення – кількість води, яка може додатково вміститися у породі в умовах вологості).

Вода в ґрунтах та гірських породах постійно перебуває в русі. За напрямком рух підземних вод буває вертикальний (низхідний і висхідний) і горизонтальний, а за характером – ламінарний і турбулентний.

Ламінарний (паралельно-струминний – характерний для порід з малими порами) – окремі струмені досить повільно течуть паралельно, обтікаючи перешкоди рівномірними шарами і створюючи суцільний потік.

Турбулентний (безладний – характерний для порід зі значними тріщинами) – вихровий рух води, при якому частинки, що переміщуються утворюють вихори і темп їх руху швидко зростає.

Підземні води районів поширення багаторічної мерзлоти. Роль підземних вод у фізико-географічних процесах.

На площі до 25% суші, на певній глибині зустрічаються шари порід з від’ємною (tº)-(багаторічна або вічна мерзлота). В цих шарах зустрічається вода у двох видах – твердому і рідкому.

Багаторічна мерзлота може вважатись реліктом часу материкових зледенінь, але вона також може виникати і в сучасних умовах (дельти річок, що впадають у Північний Льодовитий океан). Для її існування необхідні відповідні кліматичні умови (довгий період низьких (tº) і слабкий сніговий покрив). В районах поширення багаторічної мерзлоти є ділянки 1) суцільної, 2) переривчастої і 3) острівної мерзлоти.

Потужність багаторічної мерзлоти коливається від кількох до 600-800 м (максимальна – долина річки Мархи в Сибіру – 1400м). Вона зростає у напрямку від помірних до полярних широт. Нижня межа мерзлоти залежить від внутрішнього тепла Землі і є нестійкою. Нестійкою також є і її верхня межа, оскільки над багаторічною мерзлотою розміщується шар сезонної мерзлоти, потужність якого залежить від кліматичних умов і досягає кількох метрів. В умовах, коли мерзлотна товща залягає глибоко, від шару сезонної мерзлоти її може відділяти і незамерзаюча товща.

В районах багаторічної мерзлоти виділяють наступні типи підземних вод: підмерзлотні, міжмерзлотні і надмерзлотні.

Підмерзлотні – ніколи не замерзають і часто бувають напірними. Умови їх живлення і розвантаження відрізняються від підземних вод безмерзлотних районів. Ці води живляться через „таліки” (проталини в мерзлоті), а виходячи на поверхню утворюють висхідні джерела.

Міжмерзлотні – знаходяться в товщі мерзлоти і не замерзають лише тоді, коли переміщуються. Вони пов’язують підмерзлотні і надмерзлотні води шляхом низхідного і висхідного переміщення.

Надмерзлотні – води шару сезонної мерзлоти. Вони живляться атмосферними опадами, водою ґрунтового льоду, що влітку тане. Мінералізація їх дуже незначна. При замерзанні надмерзлотні води, розширюючись, тиснуть на незамерзлу воду, що знаходиться під ними. Ця вода скупчується в ділянках з найменшим тиском, а потім, замерзаючи, піднімає верхній шар утворюючи горби („гідролаколіти”, „горби пучіння”, „булгунняхи”, „пінго”). В літній час надмерзлотні води виходять на поверхню у вигляді численних джерел.

Роль підземних вод у фізико-географічних процесах та у житті людини:

• карст, суфозія, зсуви, заболочування, підтоплення, затоплення;

• побутові цілі (обігрів, водозабезпечення, тепличні господарства);

• геотермальні станції;

• бальнеологічна (лікувальна мета);

• використання термальних вод у промисловості (видобуток цезію, актинію, торію, радію, літію, глауберової солі, борної кислоти та ін.);

• заходи з охорони й відтворення підземних вод.

Лабораторні завдання.

1. Визначте:

а) нахил поверхні (гідравлічний градієнт) ґрунтових вод, що течуть від точок А, Б, В, Г і Д у бік річки. Для проведення обрахунків використайте дані таблиці 4 і формулу (і = h/l, де, і - нахил поверхні (п’єзометричний похил, гідравлічний градієнт), h – різниця висот між точкою й долиною річки, а l – відстань між ними).

Таблиця 5

Висота над рівнем моря і відстань між заданими точками та руслом річки

Назва	Висота над рівнем моря, м	Відстань до річки, м
Русло річки	110
А	133	1850
Б	130	820
В	128	670
Г	125	350
Д	136	1220

б) за допомогою формули Дарсі (V = k·i, де k – коефіцієнт фільтрації, i - гідравлічний градієнт) і таблиці 5 визначте швидкість руху води від цих точок, якщо територія від точки А до річки складена піщаними відкладами, В – супісками, В – суглинками, Г – галечником з піском, Д – галечником промитим.

Таблиця 6

Величини коефіцієнта фільтрації різних порід (за В.О. Приклонським)

Породи	Коефіцієнт фільтрації, м/добу
Галечник промитий	100
Галечник з піском	100-20
Піски	50-2
Піски глинисті і супіски	2-0.1
Суглинки	0.1
Глини	0.001

в) встановіть час, за який ґрунтові води від кожної з точок досягнуть русла річки.

2. Визначте витрату підземних вод, якщо товщина водоносного горизонту 10м, а його ширина в точці А – 670м, Б - 700м, а в точці Г – 400. Швидкість руху води від цих точок візьміть із завдання 1.

3. Обчисліть дебіт (витрату) джерела:

а) підземні води вільно виходять на поверхню землі й заповнюють посудину об’ємом 12л за 43с. Обрахунки здійснюйте за формулою Q = W/t, де W – об’єм посудини; t – час її наповнення. Визначте витрату за годину, добу, місяць, рік;

б) на трикутному водозливі висота напору становить (0.5м; 0.7м; 0.9м; 2.1м і 2.4м). Для трикутного водозливу витрату розраховуйте за формулою - Q = 1.4·h² √ h, де Q – витрата води в л/с; h – висота напору в метрах.

4. Розрахуйте, яку кількість людей може забезпечити водою колодязь діаметром 2.5 м, якщо під час відкачування вода знизилась на 3 м, а відновлення статичного рівня відбулося за 20 хв. Добове споживання людиною води в сільській місцевості 40 л.

Для обрахунків використайте формулу: W = π·r²·h, де W – об’єм води, r – радіус колодязя, h - висота шару води, викачаного з колодязя

Контрольні запитання:

1. Дайте коротку характеристику давніх гіпотез походження підземних вод.

2. Назвіть і охарактеризуйте основні наукові гіпотези походження

підземних вод.

3. В яких фізичних станах зустрічаються підземні води?

4. Які існують види води в ґрунтах і гірських породах?

5. Назвіть і охарактеризуйте типи підземних вод за умовами залягання.

6. Що таке верховодка і чим вона відрізняється від ґрунтових вод?

7. Які води називають артезіанськими? Типи артезіанських вод за

походженням.

8. Охарактеризуйте підземні води за температурою.

9. Які водні властивості ґрунтів ви знаєте?

10. Що таке шар аерації і шар насичення?

11. Як відбувається рух підземних вод?

12. Які чинники визначають режим підземних вод?

13. Охарактеризуйте типи підземних вод в районах поширення багаторічної

мерзоти.

14. Які ви знаєте типи джерел за характером виходу вод на поверхню?

15. Охарактеризуйте роль підземних вод у фізико-географічних процесах та у

житті людини.