О внутреннем строении Земли

Верхнюю часть земной коры с точки зрения распространения подземных вод принято делить на две зоны: зону аэрации и зону насыщения. В зоне аэрации не всегда все поры горных пород заполнены водой. Все воды зоны аэрации питаются за счет атмосферных осадков, интенсивно испаряются и поглощаются растениями. Количество воды в этой зоне определяется климатическими условиями. В зоне насыщения, независимо от климатических условий, всегда все поры горных пород заполнены водой. Над зоной насыщения находится подзона капиллярного увлажнения. В этой подзоне тонкие поры заполнены водой, а крупные воздухом.

В зоне аэрации образуются почвенная вода и верховодка. Почвенная вода залегает непосредственно у поверхности земли. Это единственная вода, которая не имеет под собой водоупора и представлена, в основном, связанной и капиллярной водой. Почвенная вода находится в сложной взаимосвязи с животными и растительными организмами. Она отличается резкими колебаниями температуры, наличием микроорганизмов и гумуса. С почвенной водой строители сталкиваются только на заболоченных участках.

Верховодка образуется в зоне аэрации на водонепроницаемых линзах. Верховодкой также называют любые временные скопления воды в зоне аэрации. Атмосферные осадки, проникающие в эту зону, могут временно задерживаться на слабопроницаемых или уплотненных слоях. Чаще всего это происходит весной в период  снеготаяния   или  в   период обильных дождей. В засушливые периоды верховодка может исчезать. Характерными особенностями верховодки является непостоянство существования, ограниченность распространения, малая мощность и безнапорность. Верховодка нередко создает затруднения для строителей, так как наличие или возможность ее образования не всегда устанавливается при инженерно геологических изысканиях. Образовавшаяся верховодка может вызывать подтопление инженерных сооружений, заболачивание территорий.

Грунтовой называется вода, залегающая на первом от поверхности земли постоянном водоупорном слое. Грунтовые воды существуют постоянно. Они имеют свободную водную поверхность, называемую зеркалом грунтовых вод, и водоупорное ложе. Проекция зеркала грунтовых вод на вертикальную плоскость называется уровнем грунтовых вод (У Г В). Расстояние от водоупора до уровня грунтовых вод называется мощностью водоносного горизонта. Уровень грунтовых вод, а, следовательно, и мощность водоносного горизонта — величины непостоянные и могут меняться в течение года в зависимости от климатических условий. Питание грунтовых вод происходит в основном за счет атмосферных и поверхностных вод, но они могут быть и смешанными, инфильтрационно-конденсационными. Участок поверхности земли, с которого поверхностная и атмосферная вода поступает в водоносный горизонт, называется областью питания грунтовых вод. Область питания грунтовых вод всегда совпадает с областью их распространения. Грунтовые воды в силу наличия свободной водной поверхности являются безнапорными, т. е. уровень воды в скважине устанавливается на той же отметке, на которой встречена вода.

В зависимости от условий залегания грунтовых вод различают грунтовые потоки и бассейны. Грунтовые потоки имеют наклонное зеркало и находятся в непрерывном движении в сторону уклона водоупора. Грунтовые бассейны имеют горизонтальное зеркало и встречаются гораздо реже.

Грунтовые воды, находясь в постоянном движении, имеют тесную связь с поверхностными водотоками и водоемами. В районах, где атмосферные осадки преобладают над испарением, грунтовые воды обычно питают реки. В засушливых районах очень часто вода из рек поступает в грунтовые воды, пополняя подземные потоки. Может существовать и смешанный тип связи, когда с одного берега грунтовые воды питают реку, а с другого — вода из реки поступает в грунтовый поток. Характер связи может меняться в зависимости от климатических и некоторых других условий.

При проектировании и строительстве инженерных сооружений необходимо учитывать режим грунтовых вод, т. е. изменение во времени таких показателей, как колебания уровня грунтовых вод, температуры и химического состава. Наибольшим изменениям подвержены уровень и температура грунтовых вод. Причины этих изменений очень разнообразны и нередко непосредственно связаны со строительной деятельностью человека. Климатические факторы вызывают как сезонные, так и многолетние изменения уровня грунтовых вод. Паводки на реках, а также водохранилища, пруды, системы орошения, каналы, дренажные сооружения ведут к изменению режима грунтовых вод.

Положение зеркала грунтовых вод на картах изображается с помощью гидроизогипс и гидроизобат. Гидроизогипсы — линии, соединяющие точки с одинаковыми абсолютными отметками уровня грунтовых вод. Эти линии аналогичны горизонталям рельефа и подобно им отражают рельеф зеркала грунтовых вод. Карта гидроизогипс используется для определения направления движения грунтовых вод и для определения значения гидравлического градиента. Направление движения грунтовых вод всегда перпендикулярно гидроизогипсам от более высоких отметок к более низким. Направления, по которым передвигаются грунтовые воды при установившемся неизменяющемся во времени движении, называются линиями тока. Если линии тока параллельны между собой, то такой поток называется плоским. Поток также может быть сходящимся и расходящимся. Чем меньше расстояние между гидроизогипсами, тем больше гидравлический градиент грунтового потока. Гидроизобаты — линии, соединяющие точки с одинаковой глубиной залегания грунтовых вод.

Межпластовыми подземными водами называются водоносные горизонты, залегающие между двумя водоупорами. Они могут быть ненапорными и напорными. Межпластовые ненапорные воды встречаются редко. По характеру движения они аналогичны грунтовым водам. Межпластовые напорные воды называются артезианскими. Залегание артезианских вод весьма разнообразно, но наиболее часто встречаются синклинальное. Артезианская вода всегда заполняет весь водоносный горизонт от подошвы до кровли и не имеет свободной водной поверхности. Область распространения одного или нескольких уровней артезианских водоносных горизонтов называют артезианским бассейном. Площади артезианских бассейнов огромны и измеряются десятками, сотнями, а иногда и тысячами квадратных километров. В каждом артезианском бассейне различают области питания, распространения и разгрузки. Область питания артезианских бассейнов обычно располагается на больших расстояниях от центра бассейна и на более высоких отметках. Она никогда не совпадает с областью их распространения, которую иногда называют областью напоров. Артезианские воды испытывают гидростатическое давление, обусловленное разностью отметок области питания и области разгрузки, по закону сообщающихся сосудов. Уровень, на котором устанавливается артезианская вода в скважине, называется пьезометрическим. Положение его определяется пьезометрической линией, или линией напоров, условной прямой линией, которая соединяет область питания с областью разгрузки. Если пьезометрическая линия проходит выше поверхности земли, то при вскрытии водоносного горизонта скважинами будет происходить фонтанирование, а напор называется положительным. Когда пьезометрический уровень расположен ниже поверхности земли, то напор называется отрицательным, а вода из скважины не выливается. Артезианские воды, как правило, более минерализованы и меньше связаны с поверхностными водотоками и водоемами, чем грунтовые воды.

Трещинными водами называются подземные воды, приуроченные к трещиноватым магматическим, метаморфическим и осадочным породам. Характер их движения определяется размером и формой трещин. Трещинные воды могут быть ненапорными и напорными. Они непостоянны и могут менять характер движения. Размыв и растворение горных пород приводят к расширению трещин, а кристаллизация солей и накопление осадков — к их сужению. Расход трещинных вод может достигать 500 м3/ч. Трещинные воды создают значительные трудности при строительстве подземных сооружений.

Подземные воды в городе

В городах спрос на воду велик, но подземные водные ресурсы ограничены. Во многом процесс восстановления водных ресурсов зависит от состояния самой городской среды, её экологии. Этот немаловажный фактор отвечает не только за объём подземных водных ресурсов, но и за уровень их загрязнения.

В последние годы изучение грунтовых вод городских пространств входит в состав раздела гидрогеологии.

Проблемы, возникающие при взаимодействии грунтовых вод с городской средой это и загрязнение грунтовых вод через сточные трубы канализации, и понижение уровня подземных вод насосными системами, и угроза затопления грунтовыми водами подземных пространств городской среды (например, метро).

Сейчас вопрос о сохранении и защите грунтовых вод от загрязнения стоит особенно остро. Ведь именно от них во многом зависит стабильность развития большинства городов, что выводит проблему на уровень мирового масштаба.

Отталкиваясь от поставленных задач и основываясь на последних достижениях в области гидрогеологии, учёными разрабатываются новые схемы контроля и наблюдения за уровнем загрязнения грунтовых вод, их активностью в пределах подземного пространства городской среды.

И всё же, какую бы важную роль в процессе развития городского пространства не играла его связь с грунтовыми водами, совершенно очевидно, что в данном виде взаимодействия городской среде отведён удел внешнего ограничителя, нежели равноправного участника. 

Многие города используют подземную воду, как питьевую. Все знают, что вода - это восполняемый ресурс, но в то же время сильно подверженный влиянию внешних факторов. Очень важно следить за уровнем грунтовых вод и степенью их загрязнения.  Для стабильного развития городского пространства этот хрупкий баланс крайне важен. Халатное отношение к водным ресурсам приводит к весьма плачевным последствиям. Например, в Мехико постоянное снижение уровня грунтовых вод привело к просадке грунта, а затем и к экологическим проблемам.