3. Общие представления о фильтрации

При изучении движения воды в достаточно больших объемах горной породы часто отказываются от прослеживания пути отдельных струек и изучения геометрии реальных пор и трещин и получают макрохарактеристики движения всего потока воды, которое называют фильтрацией. Основная эмпирическая зависимость, описывающая фильтрацию подземных вод, была установлена французским гидравликом Анри Дарси и впоследствии получила название "закон Дарси". или после деления на F , где Q – расход потока, – площадь поперечного сечения; – гидравлический уклон; – коэффициент фильтрации, т.е. скорость фильтрации при .

Поскольку фактическое движение воды осуществляется через сечение c пористостью n, площадь которого , то действительная скорость движения отдельных струек воды выше и составляет .

Для турбулентного движения или в общем случае (показать на графике).

¤ Представление о гравитационной водоотдаче 

= V_{стекающей воды}/ V_породы или  = n_a - W_mm

¤ Подразделение пород по величине коэффициента фильтрации (м/сут):

>100 – валунники, сильно закарстованные породы, развалы щебня;

10-100 – галечники, сильно трещиноватые породы;

1-10 – мелко и среднезернистые пески, трещиноватые породы;

0,1-1 – тонкозернистые пески, супеси;

0,01-0,1 – суглинки;

< 0,01 – глины

4. Гидрогеодинамическая зональность

Зона интенсивного водообмена.

Зона затрудненного водообмена.

Зона весьма затрудненного водообмена.

Базисы дренирования, скорости фильтрации, химия подземных вод.

Тема 8. Залегание и распространение воды в подземной гидросфере

1. Подземные воды зоны аэрации

Зоной аэрации называется верхняя часть земной коры, через которую вода просачивается к постоянно существующим водоносным горизонтам (зонам). Поры и трещины зоны аэрации заполнены газами и частично водой – в парообразном состоянии, физически связанныой, капиллярной. Гравитационная вода находится в зоне аэрации временно. Через зону аэрации происходит инфильтрация атмосферных осадков, поверхностных вод, передвижение кон­ден­­са­ци­онных вод. А.М.Овчинников: "зона аэрации – буферный слой между атмосферой и подземной гидросферой". Мощность зоны аэрации на равнинных территориях обычно не более 10-20 м; в горных районах (в особенности на карстовых массивах) может превышать 1-1,5 км.

¤ Пояс почвенной влаги.

Имеет непосредственную связь с атмосферой. Мощность от нескольких см. до 1-2 м, в тропиках до 10-15 м. Почвы по интенсивности почвообразующих процессов м.б. тундровые, таежные (кислые или слабокислые, подзолистые), степные (чернозем), тропические. Сочетание климатических и геохимических факторов определяет направленность процессов формирования почв.

Почвенные горизонты

А – аккумулятивно-элювиальный горизонт (в наших широтах до 0,5 м);

В – иллювиальный горизонт (гиризонт "вмывания") – наиболее ярко проявляется в ибластях континентального засолонения, где его мощность может достигать нескольких м;

С – материнские породы.

По особенностям водного режима выделяются 3 подзоны:

переменного увлажнения;

транзита;

капиллярной каймы.

Типы водного режима почвенной влаги:

мерзлотный (в зоне многолетней мерзлоты); отрицательные температуры держатся до 8-10 мес., а снежный покров маломощный. оттаивание почв может затянуться до осени. замерзшая почва выполняет рол водоупора;

промывной (территории гумидного климата); количество поступающей воды достаточно для вынесения солей; характерен для подзолистых почв лесной и лесостепной зон;

непромывной; баланс между поступающей и расходующейся влагой; характерен для черноземов, каштановых почв, сероземов;

выпотной (территории аридного климата); разность между расходом и поступлением влаги покрывается за счет испарения неглубоко залегающих грунтовых вод. Обогащение почв солями, образование солончаков.

Ландшафтно-климатическая зональность отражается на составе почвенных вод: гидрокарбонатные кальциевые и магниевые с М до 0,1-0,3 г/л в тундровой и таежной зонах, сульфатно-хлоридные натрриевые с М до 3-10 г/л в степях и полупустынях. Растения избирательно поглащают отдельные компоненты и активно влияют на гидрогеохимические процессы в почвах.

¤ Промежуточный пояс

Располагается между почвенным слоем и капиллярной оболочкой. Движение влаги может быть как нисходящим, так и восходящим. Ухудшение условий питания приводит к возрастанию мощности пояса от 0-2 м в зоне тундр до 20-40 м в степной зоне.

Основной тип вод – верховодка – водоносные линзы, образующиеся на водоупорных слоях ограниченных размеров. Отличительные особенности: сезонность (не всегда), ограниченные ресурсы, существенные изменения гидродинамическоготемпературного, гидрохимического режима во времени. Образуется на: погребенных почвах; линзах глин в аллювии, элювии, делювии; моренных линзах среди флювиогляциальных песков; линзах неоттаевших пород; участках слабо развитой трещиноватости в зоне выветривания осадочных, интрузивных, метаморфических пород и т.д. Осеновной источник питания – атмосферные осадки; в речных долинах – паводковые воды. Питание в относи­тельно кратковременный период (снеготаяние, дожди), потом – медленный раход на стекание вниз, испарение, извлечение на хозяйственные нужды. Режим верховодки определяется комплексом физико-географических, геологических, геоморфологических условий. В гумидной зоне верховодка может бать существенным источником водоснабжения отдельных небольших хозяйств.

Степные "блюдца" как характерный тип скопления верховодки.

Характерные особенности и использование верховодки в таежны районах. Примеры из практики гидрогеологической съемки на северо-западе России.

¤ Воды капиллярной каймы.

Располагаются выше зеркала грунтовых вод. Вследствие неоднородности пород по гранулометрическому составу и степени трещиноватости верхняя граница капиллярного смачивания может располагаться на различной высоте над зеркалом грунтовых вод, от нескольких см в крупнообломлчных породах до первых метров в глинистых. Колебания этой границы контролируются уро­венным режимом грунтовых вод. Эти воды имеют большое значение в питании растений, формировании солевого режима зоны аэрации в аридных областях, в формировании инженерно-геологических условий строительства различных сооружений.

. Грунтовые воды

¤ Общие особенности

Это – воды первого от поверхности водоносного горизонта, залаегаю­щего на первом от поверхности водоупоре. Могут быть связаны как с породами с поровой пустотностью, так и с трещиноватыми. Главные особенно­сти:

1) безнапорные или с небольшим местным напором;

2) питание в результате инфильтрации атмосферных осадков, реже поверхностных вод, и конденсации влаги в зоне аэрации;

3) режим изменчив и зависит от метеорологических условий;

4) образуют различные формы залегания – потоки, бассейны и их сочетания;

5) преобладают глубины залегания до 10-20 м, но в отдельных случаях (например, в карстовых массивах) могут залегать на глубине более 1-1,5 км.

6) характеризуются горизонтальной гидродинамической, гидрохими­ческой, температурной зональностью;

7) мощность горизонта грунтовых вод обычно измеряется метрами и десятками метров, редко сотнями метров;

8) широко используются для организации водоснабжения как наиболее доступные для извлечения;

9) легко подвержены загрязнению; необходима организация охраны горизонтов грунтовых вод.

Привести примеры горизонтов грунтовых вод для различных районов (Ленинградская область, Приангарье, Прикаспийская низменность).

¤ Режим

Условия питания грунтовых вод определяют их режим. 4 типа режима грунтовых вод (по Г.Н.Каменскому).

1) Водораздельный, формирующийся в результате инфильтрации атмосферных осадков, испарения и подземного стока;

2) Прибрежный, контролируемый колебаниями уровня рек, озер, морей. Воды берегового регулирования, определяющие режим подземного стока в реки. Значение поступления воды из других ландшафтно-климатических зон (бассейны Волги, Терека, Сыр- и Аму-Дарьи). Воды морских побережий и специфика их гидрохимического режима (пример – Совгавань);

3) Предгорный, формирующийся в результате стока с горных массивов (примеры по Кавказу);

4) Мерзлотный, характеризующийся полным или частичным промерза­нием горизонта грунтовых (надмерзлотных) вод зимой. Наледи.

¤ Зональность

Грунтовые воды всех континентов характеризуются горизонтальной гидрогеологической зональностью. Начало изучения зональности грунтрвых вод России положено П.В.Отоцким (1914 г), опиравшемся на идеи В.В.Докучаева. В 1923 г В.С.Ильин в БСЭ опубликовал карту зональности грунтовых вод Европейской территории СССР (7 зон). Работы О.К.Ланге, Г.Н.Каменского, И.К.Зайцева и М.С.Распопова.

Общая идея: с севера на юг изменяются условия питания и разгрузки грунтовых вод как следствие изменения климатических характеристик. Это приводит к изменению уровней залегания и химического состава – смене гидрокарбонатных кальциевых вод сульфатными кальциевыми и натриевыми и затем хлоридными натриевыми водами. Эти общие закономерности осложня­ются геологическими, геоморфологическими особенностями и историей геоло­ги­ческого развития отдельных районов. Проиллюстрировать на примере Европейской территории России.

¤ Использование

1) хозяйственно-питьевое водоснабжение;

2) лечебные минеральные воды (иногда углекислые, большая часть железистых, большая часть радоновых)