Природа колебаний уровня
грунтовых вод различна. Выделяют
два рода этих колебаний:
1. Действительные колебания отражают изменения
запасов воды в водоносном слое и тесно
связаны с условиями питания и расходования
грунтовых вод, т. е. с атмосферными осадками,
испарением, стоком.
2. Кажущиеся колебания являются следствием
изменения гидростатического давления
воды в водоносном слое. «Кажущимися»
они названы потому, что наблюдаются лишь
в скважинах, колодцах и других наблюдательных
объектах. Само же зеркало грунтовых вод
(в пласте, а не в колодце), а следовательно,
и запасы их могут оставаться без изменения.
Колебания эти кратковременны и в значительной
мере зависят от глубины зеркала грунтовых
вод. Они резко выражены при близком залегании
грунтовых вод от поверхности земли и
сравнительно малой мощности зоны аэрации.
В этом случае изменения объема воздуха
в зоне аэрации влекут за собой изменения
гидростатического давления в водоносном
пласте, передающиеся в наблюдательные
скважины в виде резких колебаний уровня
воды. Изменение давления воздуха в зоне
аэрации происходит под воздействием
просачивающейся сверху воды, струи которой
действуют в порах грунта как поршни, нагнетающие
воздух, под влиянием температуры, изменения
атмосферного давления и т. п. Кажущиеся
колебания накладываются на действительные
колебания зеркала грунтовых вод, в результате
чего график колебаний уровня становится
при неглубоком залегании грунтовых вод
иногда довольно сложным.
Амплитуда колебаний уровня грунтовых вод определяется
не только изменением запасов, но и водными
свойствами породы, вмещающей воду, и,
в частности, ее водоотдачей. Известно,
что один и тот же объем породы с разными
водными свойствами содержит разное количество
воды, способной к свободному вытеканию.
Следовательно, чем меньше будет водоотдача,
чем меньше свободной воды способна вмещать
порода в единице объема, тем большие колебания
уровня происходят в водоносном слое при
прочих равных условиях.
На территории России выделяются
три типа режима грунтовых вод, которые
определяются зональными особенностями
питания и расходования:
- кратковременное, преимущественно
летнее питание («мерзлотный» тип). Отличается не только кратковременностью
питания, но и коротким (летним) периодом
стока грунтовых вод вследствие промерзания
их в условиях сурового климата и многолетней
мерзлоты
- сезонное питание (преимущественно
весенне-осеннее). Характерно для континентального
климата с продолжительной и холодной
зимой, когда отсутствует пополнение запасов
грунтовых вод путем инфильтрации атмосферных
осадков. Расходование в виде грунтового
стока осуществляется в течение всего
года, потери же на испарение происходят
в теплый сезон. Для этого типа в колебаниях
уровня прослеживаются два максимума
(весной и осенью) и два минимума (летом
и зимой). Подобный ход уровней характерен
для областей с близким залеганием грунтовых
вод к дневной поверхности. Время наступления
максимумов по мере перехода от зоны избыточного
увлажнения к зонам переменного и недостаточного
увлажнения смещается: весеннего на более
ранние, а осеннего на более поздние сроки.
- круглогодичное питание
(преимущественно зимнее). Свойственно климату с непродолжительной
мягкой зимой, в течение которой инфильтрация
атмосферных осадков в грунт не прерывается,
потери же на испарение ничтожны. По этим
причинам уровень грунтовых вод начиная
с осени повышается и достигает максимума
в середине зимы. К концу зимы, весной и
летом в связи с возрастающими потерями
на испарение уровень снижается и минимум
его наступает в июле-августе.
Эти закономерности уровенного
режима грунтовых вод, характерные для
той или иной климатической зоны, могут
сильно меняться в зависимости от геологического
строения местности и гидрогеологических
ее особенностей. Существенное значение
имеет глубина залегания грунтовых вод.
С ее увеличением колебания уровня, вызванные
изменением метеорологических факторов,
сглаживаются, происходит запаздывание
в наступлении максимума и минимума уровня,
иногда на несколько месяцев.
Температура грунтовых вод, залегающих
вблизи поверхности земли и питающихся,
как правило, атмосферными осадками данного
места, испытывает влияние температуры
воздуха, и тем отчетливее, чем ближе к
поверхности залегают грунтовые воды.
Суточные колебания температуры проникают
до глубины около 1-2 м, сезонные — до глубины
слоя грунта с постоянной температурой.
Колебания температуры воздуха отражаются
в колебании температуры воды в сглаженном
виде и с запозданием во времени наступления
максимумов и минимумов температуры, увеличивающимся
с глубиной. Если область питания грунтовых
вод расположена вдали от области их распространения,
то в их температурном режиме проявляется
влияние не только температуры воздуха
области распространения, но и главным
образом температуры источника питания.
Таким образом, температура
грунтовых вод может служить
показателем источника питания
и относительной глубины залегания
их от поверхности. Резкие колебания температуры
грунтовых вод служат неблагоприятным
показателем в отношении санитарного
качества вод. Такие воды тесно связаны
с поверхностью и могут легко загрязняться.
Химический состав подземных вод определяется
сложными процессами взаимодействия между
составом горных пород, вмещающих воды
того или иного горизонта, и динамикой
самих вод не только в настоящем, но и в
прошлом.
Минерализация грунтовых вод меняется в
широких пределах: от 100-150 мг/л до нескольких
десятков граммов на литр.
Химический состав и
минерализация грунтовых вод, тесно
связанных с поверхностными и
почвенными водами, отражают влияние
климатических условий. Это влияние
тем больше, чем ближе воды расположены
к земной поверхности.
Грунтовые и межпластовые безнапорные воды
Грунтовыми водами в узком понимании этого определения
называют свободные гравитационные воды
водоносного горизонта, залегающего на
первом водоупорном слое.
В зависимости от характера
залегания горных пород различают грунтовой поток и грунтовой бассейн (Рис. 3). В природе наблюдаются различные
сочетания этих разновидностей залегания.
Рис. 3. Схема залегания
грунтовых вод:
а — грунтовой поток,
б — грунтовой бассейн.
Воды, залегающие в водопроницаемой
толще пород, заключенной между двумя
водоупорными слоями, называют межпластовыми водами. Верхний
водоупорный слой в этом случае называетсяводоупорной кровлей,
а нижний — водоупорным ложем. Грунтовые воды имеют обычно свободную
уровенную поверхность. Свободную поверхность
имеют и межпластовые воды, в том случае,
если они безнапорные или если водоносная
порода насыщена водой неполностью.
Скопления подземных вод
отмечаются как в рыхлых обломочных
породах, так и в трещиноватых массивных
изверженных или сильно метаморфизированных
осадочных породах. В первом случае воды
относятся к типу пластовых вод. Они обычно
равномерно распределены по всему пласту
и движение их осуществляется по мелким
порам и пустотам между зернами, слагающими
породу. Во втором случае воды называютсятрещинно-жильными.
Распространение их и движение приурочено
к трещинам и крупным пустотам. Не всегда
можно четко разграничить пластовые воды
и трещинные, поэтому различают трещинно-пластовые воды.
Площадь распространения
грунтовых вод, за редким исключением,
совпадает сплощадью их питания, т. е. с
областью, в пределах которой воды атмосферных
осадков проникают в почву и грунт и могут
пополнять запасы грунтовых вод. Площадь
распространения межпластовых вод не
совпадает с областью их питания. Основные
области питания этих вод приурочены к
местам выходов водоносной породы на земную
поверхность. Дополнительное питание
межпластовые воды получают за счет просачивания
вод из вышерасположенных водоносных
горизонтов через относительные водоупоры.
Грунтовые воды формируются:
- на междуречных массивах,
- в аллювиальных отложениях
речных долин,
- в предгорных конусах
выноса;
- в областях ледниковых
отложений,
- в межгорных впадинах
и котловинах,
- в местах накопления
песчано-галечных отложений горных рек,
- в областях распространения
карста.
В естественных условиях зеркало грунтовых вод представляет собой обычно не горизонтальную
поверхность, а волнистую и весьма часто
в сглаженной форме повторяет наземный
рельеф. Это объясняется различными причинами:
неоднородностью пород в отношении проницаемости
как в зоне аэрации, так и в зоне насыщения,
различной скоростью просачивания и различными
условиями питания грунтовых вод и выхода
их на поверхность в местах пересечения
водоносного пласта долинами рек, оврагов
и т. п. К месту выхода грунтовых вод на
поверхность уровень их понижается. Такое
понижение уровня наблюдается и у межпластовых
безнапорных вод.
Глубина залегания грунтовых вод может быть различной:
от десятков метров до 1-2 м. В последнем
случае они обычно в весенний период смыкаются
с почвенными водами и образуют, как говорилось
выше, почвенно-грунтовые воды. Разновидностью
последних являются болотные грунтовые
воды, зеркало которых находится в пределах
торфяной залежи.
Безнапорные межпластовые
воды (Рис. 4) обычно приурочены
к водоносным толщам значительной мощности,
прорезаемым гидрографической сетью.
Эти воды залегают, как правило, неглубоко.
Речные долины иногда прорезают несколько
ярусов межпластовых вод. В этом случае
в местах дренирования на разных уровнях
склона долины (котловины) воды выходят
на поверхность и являются устойчивыми
источниками питания поверхностных водотоков
и водоемов.
Рис. 4. Схема залегания
подземных вод: 1 – верховодка; 2 –
межпластовые
безнапорные воды; 3 – грунтовые
воды; 4 – межпластовые напорные
воды; 5 - поверхностный
водоем.
2. Состав грунтовых вод
Многообразие производств,
огромное число химических продуктов
(исходных, промежуточных, конечных), применяемых
и получаемых в технологических
процессах, обуславливают образование
различных стоков, загрязнённых всевозможными
органическими и неорганическими
веществами. Во многих случаях воды
содержат растворённые газы (сероводород,
метан, углекислый газ). Стоки производств
просачиваются в почву через неплотности
трубопроводов и других коммуникаций
на территории предприятия.
Часть загрязняющих веществ
смываются осадками с территории
предприятия (промзоны), а также с крыш
и стен зданий. Степень вредности вод зависит
от токсичности загрязняющих веществ.
Очистка от таких примесей, как соли тяжёлых
металлов, цианиды, полициклические углеводороды,
сероводород и многие другие, является
отдельной производственной задачей.
Следует учитывать агрессивность стоков
по отношению к материалам трубопроводов,
коллекторов и аппаратов очистных сооружений.
Речь идёт не только о величине pH, но и
о содержании в водах некоторых солей
и газообразных продуктов. Ситуация осложняется
также тем, что загрязнённые воды смешиваются
в почве с водами, имеющими свой сложный
геохимический состав, поэтому очистку
вод необходимо планировать с учётом всей
сложности суммарного состава почвенных
вод.
Анализ химического состава
подземных вод открывает пути
для изучения генезиса, пригодности
для различных потребителей, определения
уровня их агрессивности для бетонных
и металлических конструкций. Результаты
химических анализов воды могут быть выражены
в весовой, эквивалентной и процент-эквивалентной
формах.
Весовая форма – представление
ионно-солевого состава воды в миллиграммах
(граммах) в 1 дм³ или 1 кг воды. В зарубежной
литературе результаты анализа могут
быть приведены в частях на миллион, что
соответствует концентрации мг/дм³.
Эквивалентная форма записи
состава вод позволяет определить соотношение
между ионами с точки зрения их способности
участвовать в химических реакциях, оценить
качество анализа, установить генезис
вод.
На основе эквивалентной
формы выражения состава можно
определить погрешность анализа
воды. Эта оценка основана на принципе
электронейтральности раствора: сумма
концентраций катионов (мг-экв/дм³) равна
сумме концентраций анионов. Анализ воды
считается удовлетворительным, если погрешность
определения менее 5%.
Процент-эквивалентная форма
показывает относительную долю участия
иона в формировании ионно-солевого состава
воды. Для вычисления процентного содержания
анионов (катионов) их сумму принимают
за 100% и рассчитывают процент содержания
каждого аниона (катиона) по отношению
к их сумме. Процент-эквивалентная форма
позволяет устанавливать черты сходства
вод, различающихся по минерализации.
Минерализация воды (М) – это
сумма минеральных веществ в граммах или
миллиграммах, содержащихся в 1 дм³ воды.
Для определения М суммируют содержание
всех ионов, определенных химическим анализом
и выраженных в весовой форме.
Жесткость воды определяется
содержанием в ней солей Са2+ и. Mg2*.
Различают: общую, карбонатную, временную
(устранимую), некарбонатную, неустранимую
(постоянную) жесткости.