Геохимия грунтовых вод городских территорий

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.

3. 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.