Гидрогеология – наука о происхождении, движении, развитии и распространении подземных вод в земной коре.
Задачи, решаемые гидрогеологией:
1) Вопросы питьевого и технического водоснабжения.
2) Защита от влияния подземных вод на производственные процессы (котлованы, шахты) и строительные конструкции.
Гидрогеология состоит из нескольких дисциплин: общая гидрогеология, динамика подземных вод, гидрогеохимия, методика гидрогеологических исследований, гидрогеология МПИ, региональная гидрогеология, палеогидрогеология.
Происходит т.н. круговорот воды в природе – большой и малый.
Qатм осадков=Qподз.+Qповерх.+Qиспарен., (10)
Вода в горных породах породах существует в двух основных видах – связанная и свободная.
Связанная вода подразделяется:
Кристаллизационная вода находится в кристаллической решетке минералов (потеря молекул воды приводит к изменениям свойств: гипс минус 1 молекула = алебастр минус еще одна молекула воды = ангидрит).
Цеалитная вода занимает свободное пространство в кристаллической решетке (SiO2 – кварц, а с nН2О – опал).
Конституционная вода в виде иона ОН-.
Свободная вода подразделяется:
1. Водяной пар – он занимает все поры, свободные от жидкой воды. Он образуется из всех других форм почвенной воды, путем испарения и вновь переходит в нее путем конденсации. Ее количествово не превышает 0,001 % от веса породы.
2. Гигроскопичная – это вода, поглощаемая коллоидными оболочками частиц грунта (породы), отделить можно только нагреванием.
3. Пленочная вода – т.н. слабосвязанная вода, окружающая набухшую частицу грунта (породы) в виде оболочки (свойство влагоемкости – способность горных пород удерживать часть воды в капельножидком состоянии).
4. Капиллярная вода – защемленная или связанная с капиллярами между отдельными гранулами или частицами ГП.
5. Гравитационная – свободная вода, ясно из названия. Движется, в отличие от предыдущих, под влиянием гравитационных сил (силы тяжести).
6. Лед – в твердом состоянии (в условиях многолетней мерзлоты).
В зависимости от заполнения пор пород свободной гравитационной водой выделяют: зону насыщения и зону аэрации.
Первые три типа воды относятся к промежуточному слою между атмосферой и подземной гидросферой – зоне аэрации (от 0 до 30–40 м, иногда 100–200 м) и регулируют водообмен атмосферных вод и вод зоны насыщения.
Между этими зонами – капиллярная подзона (окаймляет зону насыщения).
Отметим, что в случае, когда мы рассматриваем воду как полезное ископаемое – главное это свободная (гравитационная) вода. Все остальные несущественны и играют основную роль при характеристике физико-механических свойств грунтов.
Основные гидрогеологические понятия
1. Водопроницаемые породы – горные породы, пропускающие через себя воду, могут составлять и зону аэрации, и зону насыщения.
2. Водоупорные породы – это микропористые горные породы, задерживающие фильтрацию воды, не пропускающие ее (глины).
3. Водоносные породы – это горные породы , дающие возможность движения воды в порах и пустотах (инфильтрация).
4. Водоносный горизонт – водоносные породы, насыщенные водой и образующие по площади и мощности выдержанный пласт.
5. Уровень грунтовых вод – это граница между зоной аэрации и зоной насыщения (граница появления подземных вод в земной коре).
Главные водно-физические свойства горных пород
Пористость – обуславливает возможность присутствия подземных вод в земной коре – отношение объема пор к объему грунта.
При гидрогеологической оценке горных пород различают скважность и пористость. Под скважностью понимают наличие в них пустот, независимо от их размеров и формы (трещины, карст). Пористость – это вид скважности, который обусловлен порами, т.е. мелкими промежутками между частицами породы.
Влагоемкость – способность горных пород вмещать и удерживать определенное количество воды (численно может быть равна пористости). По степени влагоемкости горные породы подразделяются на три категории
– весьма влагоемкие (торф, глины, суглинки),
– слабовлагоемкие (мергели, рыхлые песчаники, мелкие пески),
– невлагоемкие (изверженные и осадочные породы, галечник, гравий, крупный песок).
Водоотдача – характеризуется количеством гравитационной воды, которое можно получить из 1 м3 породы путем свободного стока. Это, так называемая, удельная водоотдача. Водоотдачу можно охарактеризовать и коэффициентом водоотдачи (μ) – отношение количества воды, которое может отдать порода к общему количеству воды в породе.
Водопроницаемость – способность горных пород пропускать через себя воду. Степень водопроницаемости не определяется величиной пористости, а зависит от размера пор (пустот). Пример: глины имеют пористость порядка 60 %, однако непроницаемы, а песок, с пористостью 30 % – хорошо водопроницаем.
По степени водопроницаемости горные породы подразделяют на четыре группы:
– хорошо водопроницаемые (галечник, гравий, крупнозернистый песок, карст),
– водопроницаемые (трещиноватые скальные породы, пески),
– слабопроницаемые (пылеватые пески, супеси, суглинки, лессы, торф),
– непроницаемые (водоупорные) – монолитные породы, глины.
Вода состоит из 11,1 % водорода и 88,8 % кислорода. Однако в воде присутствуют микроэлементы, газы, микроорганизмы, присутствие которых влияет на качество воды. То есть, в одном случае она полезна для здоровья, в другом не совместима с жизнью.
Основные физические свойства ПВ (органолептические), которые определяются при гидрогеологических исследованиях: температура, цвет, прозрачность, вкус, запах.
Температура – колеблется в широких пределах, от близкой к Оº (многолетняя мерзлота) до нагретых паров (вулканы) +120º. Наиболее вкусная и освежающая вода имеет tº 7–11ºС. На курортах – минеральные воды имеют tº>20º (лучше всего, полезнее 35–37º). Температура воды влияет на химический состав. Повышение tº увеличивает скорость физико-химических процессов, а значит и растворение горных пород под влиянием подземных вод. Однако, растворимость Nа и К солей (NаCl и КСl) с повышением tº растет, а вот сульфатно-кальциевых (СаSO4) – уменьшается. Поэтому холодные воды чаще кальциевые, а теплые и горячие – натриевые.
Цвет – характеризует качество воды. Химически чистая вода бесцветна. Окраску придают механические примеси.
Желтоватый цвет – болотного происхождения (гуминовые вещества).
Изумрудный оттенок дают сероводородные воды, вследствие окисления Н2S и образования коллоидальной мути.
Красивый голубой цвет воды – присутствие гидрокарбонатов.
Прозрачность – через столб воды высотой 30см виден печатный текст.
Вкус – зависит от состава растворенных в ней веществ. Например, соленый вкус вызывается хлористым натрием (поваренная соль), горький – сульфатом магния, ржавый – солями железа, сладковатый – много органики; вяжущий вкус – вызывают соединения меди; приятный освежающий вкус – наличие свободной углекислоты.
Запах – говорит о наличии газов биохимического происхождения (сероводород и пр.) или о присутствии гниющих органических остатков (для определения – слегка нагревают). Различают затхлый, тухлый, болотный запахи.
Химический состав – вода, несмотря на кажущуюся простоту, является сложным соединением. В природе не существует воды, тем более, подземной, которая не содержала бы в составе солей и газов. Часть из них присутствует в виде элементарных и сложных ионов (катионов и анионов), а часть в виде молекул и сложных веществ.
Важнейшими ионами, определяющими минерализацию (химический состав) воды являются: анионы – Сl-, SO4— и НСО3-, катионы – Na+, Са++, Мg++. Общая сумма ионов – есть общая минерализация.
Рудничные воды, например в месторождениях полезных ископаемых, часто обогащены ионами Zn, Cu, Pb, Mn, Al и т.д.
В молекулярном и коллоидальном состоянии в подземных водах содержатся органические вещества и кремнекислота – SiO2·Н2О. В коллоидальном состоянии могут находиться так же гидроокись [Fe(OН)3] и окись железа (Fe2O3·4Н2О), окись алюминия (Al2O3xН2О).
В молекулярном виде в подземных водах содержатся газы: двуокись углерода (СО2), сероводород (Н2S), азот (N2), метан (СН4), кислород (О2). Иногда повышенные содержания радиоактивных веществ. Все особенности химического состава подземных вод определяются геологическими условиями, климатическими факторами.
Все подземные воды по преобладающему аниону делятся на три класса: гидрокарбонатные (НСO3-), сульфатные (SO4—) и хлоридные (Сl-).
Каждый класс, по преобладающему катиону, делится на три группы (Са++, Na+, Мg++).
Различают:
– мягкие щелочные воды, приуроченные как правило к магматическим горным породам, где НСО3>Са+Мg,
– жесткие воды (осадочные), где НСО3<Са+Мg или НСО3+SО4> Са+Мg,
– воды высокой минерализации с преобладанием ионов хлора Cl>Na
Cl>Na+Mg; Cl<Na+Mg (глубокого континентального залегания),
– кислые воды рудных месторождений НСО3-=0
Формула Курлова – запись химического состава воды в виде псевдодроби: в числителе анионы (мг-экв %), в знаменателе – катионы (мг-экв %) в убывающем порядке с содержанием > 10 %-экв.
Дополнительно: перед дробью – содержание газов и компонентов, придающих воде специфические свойства (СО2, Н2S, Вг, V, радиоактивность) и общая минерализация М (г/л). После дроби рН, Т (°С), дебит (Q) скважины или источника (м3/сут).
В названии воды участвуют 1) анионы и 2) катионы, содержание которых более 20 %-экв. Название дается сначала по анионам, потом по катионам по возрастающему содержанию.
СО2 1,2 М 4,5
рН, Т, Q (л/с),
Углекислая, слабосолоноватая сульфатно-гидрокарбонатная магниево-кальциевая.
В случае формулы вещественно-химического состава природных вод – в формулу Курлова записываются все элементы независимо от содержания (более 1 %), микроэлементы содержания которых определены в долях %, а также редкие и радиоактивные элементы записываются перед дробью (мг/л, мкг/л).
Существуют полный и сокращенный анализы воды.
Кроме перечисленных есть и другие показатели, характеризующие воду. В первую очередь это бактериологическое загрязнение, т.е. наличие кишечной палочки. Наличие их характеризуется, т.н. коли-тестом – количествово кишечных палочек на 1 л воды. Обычно вода безвредная, если коли-тест не более 2–3. Понятие «коли-титр» – количество воды, содержащие 1 кишечную палочку (норма более 300 мл).
Качество воды ухудшается за счет обогащения органическими веществами (распад веществ животного и растительного происхождения). Их определяют при прокаливании сухого остатка воды. Органические вещества способны окисляться. Таким образом, об их количестве можно судить по их окисляемости, т.е. по количеству кислорода, которое требуется на их окисление. Обычно окисляемость характеризуют количеством израсходованного перманганата калия (марганцовки), выраженном в мг на 1 л воды.
Существуют и общие, прямые химические признаки, определяемые при исследовании воды, которые указывают на загрязнение воды.
Хлор-ион (Сl-) – сточные и фекальные воды. Норма – менее 35 мг/л.
Нитратный ион (NO3-) – нитраты. Допустим в очень незначительных количествах (< 10 мг/л) Чаще всего имеют органическое происхождение – является признаком древнего загрязнения.
Нитрит ион (NO2-) – нитриты, указывает на свежее загрязнение воды фекальными отбросами и пр. (наличие следов).
Аммоний (NН4+) – показатель биологического загрязнения.
Калий (К+) – содержание более 10 мг/л указывает на загрязнение.
Cr+6, Ra, Rd, фенольные соединения не допускаются.
Токсичные элементы, мг/л (Pb 0,01, Cu 1, As 0,05, U 1,7, Zn 5, Fe 0,3, F 1,5).
Жесткость воды – свойство, обусловленное наличием в ней растворенных соединений Са++ и Мg++, и способностью их образовывать плотный нерастворимый осадок при кипячении (плотная корка в котлах). Это свойство отчетливо выявляется при растворении в воде мыла: чем вода жестче, тем больше мыла требуется для появления пены. Жесткие воды непригодны для многих производств – бумажного, сахарного, кожевенного, для водки («мягкая вода» – менее 7 мг-экв). Выражается в мг-экв, (1 мг-экв – в 1 л воды 20,4 мг Са++ и 12,6 мг Мg++.
Концентрация водородных ионов (рН). Этот показатель важен для правильного определения химического состава воды. При нейтральной реакции рН=7, при кислой рН <7,0, при щелочной рН>7,0. Определяют лакмусовой бумажкой (допустимо 6,5–8,0)
Общая минерализация воды (очень важный показатель) – это сумма ионов, молекул и различных соединений, содержащихся в воде. Величина ее определяется по сухому остатку, полученному после выпаривания воды. Хорошая питьевая вода должна содержать не более 0,5 г на 1 л.
Таблица 13
Градация вод по общей минерализации (упрощенная схема)
|
Общая минерализация г/л |
Характеристика |
Химический состав |
|
< 0,2 0,2-0,5 0,5-1,0 |
Ультрапресные Пресные С относительно повышенной минерализацией |
(HCO3-) (HCO3-, SO4–) |
|
1,0-35 |
Солоноватые, соленые, повышенной солености |
(SO4–, Сl- ); (Сl-) |
|
> 35 |
Переходные и рассолы |
(Сl-) |
Агрессивность подземных вод – свойство подземных вод разрушать горные породы и стройматериалы, в результате соприкосновения.
По отношению к бетону различают агрессивности: углекислая, выщелачивающая, общекислотная, сульфатная, магнезиальная.
1. Углекислая агрессия проявляется при содержании в воде Н2СО3 высокой концентрации.
СаСО3 (карбонат)+Н2О+СО2=Са(НСО3)2(бикарбонат) =Са2+ +Н2СО3 (12)
Показатель агрессивная углекислота – то количество Н2СО3, которое превышает равновесное, вызывая постоянное растворение карбоната кальция (карбонатные породы – известняки, мергели). Растворение карбоната кальция в воде, содержащей свободную углекислоту, выражается уравнением:
СаСO3+Н2СO3 = Са+++2НСO3-, (13)
Этот процесс обратим, и до конца не доходит, т.е. часть содержавшейся в растворе угольной кислоты остается в растворе в свободном состоянии. Каждому определенному содержанию в воде НСО3-, находящейся в равновесном состоянии с твердым СаСO3 будет отвечать определенное содержание свободной углекислоты. Это количество свободной углекислоты, отвечающее состоянию равновесия, называется равновесной углекислотой. Если содержание свободной углекислоты в воде будет больше, чем необходимо для равновесия, то при соприкосновении такой воды с СаСO3 будет происходить растворение последнего. Та часть свободной углекислоты, которая при этом израсходуется на реакцию с СаСO3, называется агрессивной углекислотой. Это очень важный показатель, т.к. фундаменты из бетона, цемент, составляющая бетона – это карбонаты (СаСO3). Измеряется в мг/л.
2. Выщелачивающая агрессия – определяется величиной временной жесткости, которая зависит от НСО3, проявляется в ультрамягких или мягких водах, в которых находится минимальное содержание ионов НСО3. Ультрамягкие воды способны выщелачивать карбонаты до момента создания равновесия между карбонатами и бикарбонатами.
3. Общекислотная агрессия – зависит от рН, особенно активна кислая среда (рН<5) – активный растворитель для вмещающих пород (солей, карбонатов), опасна для железобетонных конструкций.
4. Сульфатная агрессия определяется наличием в водах иона SO42-. Соли серной кислоты обладают опасным свойством притягивать к себе nH2O. Переход ангидрида в гипс дает увеличение объема в 2 раза. Соединение алюмосиликатов с водами обеспечивает образование соли в результате гидратации на цементе образуется соль Деваля, или цементная бацилла (наросты, вспучивание, крошится бетон).
5. Магнезиальная агрессия – определяется наличием ионов Mg++, которые легко вступают в соединения, образуя соли, легко растворимые в воде (железные конструкции).
Свободный кислород, рН, SO4– – приводят к активному действию воды на железные конструкции – коррозия и растворение металлов.
Меры борьбы: общекислотная агрессивность – подщелачивание (при малых движениях подземных вод), сульфатная – специальные виды цемента. Применяются другие материалы – чугун, пластмассы, гидроизоляция.
По г. Екатеринбургу на сегодняшний день в результате проведения мониторинга пригодными для питья считаются три источника (Амундсена – Окружная, и два источника в районе Калиновки в направлении г. Березовского). Основными критериями для определения вероятности пригодности воды источника для питья являются: удаление от автодорог не менее 100 м, отсутствие выше по потоку источников загрязнения (кладбища, могильники, туалеты, выгребные ямы, очистные сооружения, трассы коммуникаций, фермы и т.п.).
Классификации подземных вод
I. По степени заполнения пористого пространства принято делить на две зоны, неравномерные по мощности (рис.17):
Зона аэрации – это промежуточный слой между атмосферой и подземной гидросферой, пустоты, трещины и поры проницаемых пород не всегда и не везде заполнены водой. Здесь происходит вертикальное просачивание атмосферной влаги или поверхностных вод, и могут возникать скопления только временных или сезонных вод:
– почвенные воды – значение для питания растений,
– верховодка.
Зона насыщения – здесь породы заполнены водами, которые подразделяются по гидродинамическому признаку:
– безнапорные (грунтовые)
– напорные (артезианские).
Рис. 17 Классификация подземных вод по степени заполнения пористого пространства
II. По условиям залегания подземные воды подразделяют на:
– поровые воды (собственно поровые и пластово-поровые);
– трещинные воды (пластово-трещинные, трещинные, трещинно-жильные);
– карстовые (трещинно-карстовые);
– воды зоны многолетней мерзлоты (надмерзлотные, межмерзлотные, подмерзлотные).
III. По литолого-стратиграфическому типу (по возрасту и типу пород).
Верховодка – это временный водоносный горизонт, возникающий наиболее близко к земной поверхности в зоне аэрации на небольших по площади водоупорных слоях (линзах) при условии обильного питания подземных вод.
Особенности: площадь верходводки редко превышает 300 м2. В деревнях большая часть колодцев – верховодка. Летом, как правило, испаряются или инфильтруются на глубину, зимой промерзает.
Вторая особенность верховодки – легко загрязняема бытовыми отходами. В северных и умеренных широтах, воды верховодки обычно пресные, ультрапресные или слабоминерализованные, с повышенным содержанием органики (из-за близкого расположения к поверхности земли) и железа. На юге, где преобладает испарение, она высокоминерализованная (Сl, Nа).
К верховодке относятся и болотные воды. Часто верховодка и способствует образованию болот.
Воды зоны насыщения.
Безнапорные (грунтовые) воды (воды со свободной поверхностью) – это свободные гравитационные воды первого от поверхности постоянно существующего водоносного горизонта, заключенных в рыхлых четвертичных отложениях или в верхней части коренных пород и развитого на первом от поверхности региональном водоупорном слое. Обычно они не имеют кровли из водонепроницаемых пород.
Уровень воды в колодцах или скважинах в них, устанавливаются на высоте, соответствующей верхней границе или свободной поверхности грунтовых вод (рис. можно тот же) – называется также зеркалом грунтовых вод (поверхность раздела между зоной аэрации и зоной насыщения). У грунтовых вод показывается одной линией. Обычно поверхность (зеркало) грунтовых вод повторяет рельеф земной поверхности.
Водонепроницаемые породы, подстилающие водоносный горизонт, называется водоупорным ложем или водоупором.
Водоносный горизонт имеет строгую, четкую нижнюю границу, в отличии от верхней, которая может колебаться в зависимости условий питания по сезонам – опускается в периоды зимней и летней межени и поднимается в периоды снеготаяния и сезонов затяжных дождей (паводок).
Особенности грунтовых водоносных горизонтов:
– грунтовые воды имеют свободную поверхность (давление на поверхность грунтовых вод равно атмосферному);
– при вскрытии грунтовых вод искусственными выработками уровень воды устанавливается на той же самой глубине, на которой появляется;
– питание грунтовых вод происходит по всей площади их распространения за счет атмосферных осадков, за счет инфильтрации вод из рек и водоемов, поступление подземных напорных вод из более глубоких горизонтов;
– дренирование (разгрузка) грунтовых вод осуществляется в основном эрозионной сетью на участках пересечения уровня грунтовых вод с понижениями рельефа, на которых образуются выходы подземных вод на поверхность в виде источников, родников, а также под водой (подводная, подрусловая разгрузка). Иногда, когда склон сложен слабопроницаемыми делювиальными отложениями, разгрузка может принять рассредоточенный характер, смачивая склоны долины на значительные расстояния, образуя заболоченности.
– тесная взаимосвязь с речными водами, которые могут являться областью дренирования, а также областью питания в период паводков (высокого стояния воды).
По условиям залегания безнапорные (грунтовые воды) образуют: грунтовые потоки, бассейны и межпластовые безнапорные воды.
Грунтовые потоки – движение грунтовых вод по уклону от области питания к области дренажа. Зеркало грунтовых вод имеет уклон от участков с большим гидростатическим напором к меньшим. Гидростатический напор (H) – расстояние от уровня грунтовых вод в данной точке до нулевой плоскости выравнивания (уровень мирового океана или абсолютная отметка грунтовых вод ). Напорный градиент I=H1–H2/L
Грунтовый бассейн возникает в случае образования водоупорным ложем мульды (впадины). Часто грунтовый бассейн бывает частью грунтового потока.
Межпластовые безнапорные воды. Иногда часть грунтовых вод может перекрываться водоупором, но полностью пласт водой не заполнен.
Для грунтовых вод характерен неустановившийся режим (резкие колебания уровня грунтовых вод в зависимости от времени года, значительное влияние температуры воздуха на температуру грунтовых вод, в отличие от глубоко залегающих подземных вод, и изменения химического состава (минерализации) в период межени и паводка).
Гидроизогипсы – линии равных абсолютных отметок подземных вод, строятся при одновременном замере уровней в колодцах и скважинах и проводятся, как правило, через 0,5, 1, 2, 5, 10 м. Карты гидроизогипс в частности, позволяют выявить взаимосвязь поверхностных и подземных вод.