Гидрология подземных вод. Лекция 6

Происхождение подземных вод. Виды воды в порах грунта. Водные свойства грунтов.

Подземные воды – совокупность воды (в различном агрегатном состоянии) в земной коре

Происхождение подземных вод
экзогенное (их источник – водные объекты на поверхности суши и влага атмосферы)
эндогенное (их источник – недра Земли)

Экзогенные типы подземных вод
Инфильтрационные (просачивание атмосферных, речных, морских и озерных вод)
Конденсационные (конденсация в порах грунта водяного пара)
Седиментационные (образуются из вод того водного объекта, где происходил процесс седиментации)

Характеристика инфильтрационных подземных вод
инфильтрация атмосферных осадков, речных, озерных и морских вод
поступление влаги через поры и трещины

Характеристика конденсационного типа подземных вод
конденсация водяного пара в порах почвы
доминирует в условиях пустынь

Характеристика седиментационных подземных вод
вода в отложениях морей и океанов
«иловые» растворы

Эндогенные подземные воды
Дегидратационные (формируются вследствие дегидратации минералов)
«Ювенильные» воды в зонах современного вулканизма (поступают из магматических очагов)

могут пропускать воду или быть водонепроницаемыми
способны накапливать воду
Физические свойства грунта

Характеристики физических свойств грунтов
плотность
пористость и трещиноватость
влажность
влагоемкость

Плотность грунта
ρг = mг /Vг
mг – масса грунта, кг
Vг – объем грунта,м3

Соотношение плотности и минерального состава грунта

Скважность (пористость
и трещиноватость)
р = (Vп / Vг) ·100%
Vг , Vп – объем грунта и пор,
p - коэффициент пористости

Изменение коэффициента пористости

Виды воды в порах грунтов
связанная
капиллярная
гравитационная (свободная)
лед
водяной пар

Связанная вода
химически связанная вода – входит в состав минералов (гипс – CaSO4·2H2O) – выделяется при высокой температуре
физически связанная вода – удерживается на поверхности частиц молекулярными силами

Физически связанная вода
гигроскопическая (прочносвязанная)
пленочная (рыхлосвязанная)

Физически связанная вода
гигроскопическая вода (а) (прочносвязанная)
пленочная вода (б) (рыхлосвязанная)
не входит в состав подземных вод

Гигроскопическая вода
сорбируется частицами грунта
удерживается молекулярными силами
толщина слоя не больше диаметра 1-20 молекул
испаряется при температуре 90-1200С

Пленочная вода
пленка над гигроскопической водой
может перемещаться

Капиллярная вода
заполняет поры грунта
перемещается под влиянием
капиллярных сил
определяет влажность грунта
используется растениями
входит в состав гидросферы

Соотношение типов грунта и высоты капиллярного поднятия hп

Виды капиллярной воды
капиллярно- подвешенная
капиллярно-
поднятая
капиллярно-разобщенная
грунтовые воды
грунтовые воды
грунтовые воды

Гравитационная вода
перемещается под действием силы тяжести в порах и трещинах
входит в состав подземных вод

Подземные льды

Водяной пар в грунтах
заполняет поры при отсутствии в них воды
перемещается под влиянием градиента давления воздуха
входит в состав гидросферы

Влажность W – содержание воды в грунте (%)
W = 100mв/mc = 100 (mг –mc)/mc
mг – масса грунта и воды,
mc – масса высушенного грунта,
mв – масса воды в грунте
Влажность и ее характеристики

Влажность и ее характеристики
влагоемкость (%) – способность грунта вмещать и удерживать воду
полная влагоемкость (Wп) – максимально возможная влажность грунта

Изменение влажности в пределах зоны аэрации
W =f (ha)
hа, м
W,%
Wп

Влажность и ее характеристики
дефицит влажности d = Wп – W
размерность d - %

Водопроницаемость грунта -
способность пропускать воду
зависит от размера и формы частиц грунта характеристика водопроницаемости - коэффициент фильтрации

Изменчивость водопроницаемости

Классификация подземных вод по характеру их залегания. Воды зоны аэрации и зоны насыщения. Напорные и безнапорные воды. Артезианские бассейны.

Схема расположения безнапорных подземных вод
подземные воды зоны аэрации (1)
подземные воды зоны насыщения (2)
водоупор
Грунтовые воды
1
2

Процессы в зоне аэрации
инфильтрация
фильтрация
накопление подземных вод
десукция
кф ≠ const
кф = const

Воды зоны аэрации
почвенная влага
верховодка
капилляр-ная кайма
грунтовые воды
каппилярная кайма

Характеристика почвенных вод
формируются в верхнем (1,0-1,5 м)
слое почвы
временное скопление воды
не образуют непрерывного водоносного горизонта
возникают при сильных дождях и снеготаянии
используются растениями

Высачивание почвенных вод в период снеготаяния

Характеристика верховодки
формируется при наличии слабопроницаемых грунтов
временные, сезонные скопления воды
мощность слоя воды 0,4-1,0 м

Капиллярная кайма
формируется за счет подъема грунтовых вод по капиллярам
участвует в формировании почвенных вод
источник воды для растений

Воды зоны насыщения
безнапорные (грунтовые)
напорные (артезианские)
Грунтовые воды

Артезианские воды
Это напорные воды (2), залегающие между водоупорными пластами (1)

Выброс воды из артезианской скважины на берегу Сухоны
Фото Н.Л.Фроловой

Характеристика артезианских вод
залегают ниже грунтовых вод
поднимаются вверх под влиянием пьезометрического напора
имеют более стабильный режим
меньше подвержены загрязнению
источник питьевой воды

Движение подземных вод. Закон фильтрации Дарси. Режим грунтовых вод.

Виды движения воды в зоне насыщения
фильтрация
перемещение в сторону уклона водоупора
или в сторону уменьшения пьезометрического напора

Закон фильтрации Дарси
Vф = kф I
kф – коэффициент фильтрации (м/cут)
I - уклон водоупора или зеркала артезианских вод (безразмерная величина)
Vф – скорость фильтрации (м/сут)

Характеристика процесса фильтрации
движение ламинарное
скорость процесса зависит от типа грунта, изменяется от 10-6 до 102 м/сутки
различают свободное и напорное просачивание, инфильтрацию и фильтрацию подземных вод

Уравнение баланса подземных вод
х = упов + уинф + zпов ± ∆uпов
уинф + zгрв = упочв + упгрв + zтр +zза ± ∆uза
упгрв = угрв + zгрв ± угл ± ∆uгр
(у + z ± угр ) - х =ΔМ= - ∆u

Типы водного режима
зоны аэрации
промывной И > Ис + Д
компенсированный И = Ис + Д
испарительный И < Ис + Д
И –инфильтрация , Ис – испарение, Д - десукция

Режим грунтовых вод
пространственно-временные изменения уровня воды, температуры и минерализации
зависит от климатических факторов
изменяется под влиянием поверхностных вод
зависит от специфики геологических условий

Изменение уровня (1) и температуры (2) грунтовых вод при кратковременном (а), сезонном (б) и круглогодичном питании (в)

Особенности термического режима
результат колебаний температуры воздуха и просачивающихся вод
с глубиной колебания температуры грунтовых вод быстро затухают
зона с постоянной температурой воды расположена на глубине несколько метров
наиболее глубоко (до 41 м) она расположена в районах континентального климата

Гидрохимический режим грунтовых вод
зависит от типа водного режима
связан с разбавляющей способностью поверхностных вод, интенсивностью испарения
имеет сезонный характер
закономерно изменяется по широте

Взаимодействие поверхностных и подземных вод. Роль
грунтовых вод в питании рек.

Типы взаимодействия
постоянная гидравлическая связь
временная гидравлическая связь
отсутствие взаимодействия

Подтипы постоянной гидравлической связи
односторонняя
двухсторонняя

Постоянная односторонняя гидравлическая связь
низкое положение водоупора и уровня грунтовых вод
река постоянно подпитывает подземные воды
характерно для карстовых районов, горных рек аридной зоны

Периодическая двухсторонняя связь – береговое регулирование
река питает грунтовые воды в половодье в реку поступают грунтовые воды в межень

Временное взаимодействие поверхностных и грунтовых вод
при разрыве гидравлической связи на склонах появляются мочажины, родники

Отсутствие гидравлического взаимодействия поверхностных и подземных вод

Русловое регулирование р.Сухона в период межени

Русловое регулирование р. Сухона в период половодья