Тема 15. Гідрогеологія
15.1.Основні поняття гідрогеології
15.2. Класифікація підземних вод
15.3. Режим підземних вод і фактори, що на нього впливають
15.1.Основні поняття гідрогеології
Гідрогеологія – наука про підземні води, тобто води, які знаходяться нижче поверхні землі в крапельно-рідкому, пароподібному чи твердому вигляді в різноманітних гірських породах. Гідрогеологія вивчає походження і розвиток підземних вод, умови їх залягання і поширення, закони руху, процеси взаємодії з вміщуюючими гірськими породами, фізичні і хімічні властивості.
Водоносний шар (пласт) – це обводнена осадова порода однорідного петрографічного складу, генезису й віку, порівняно обмеженої потужності і значного площинного поширення.
Водоносний прошарок – це водоносний шар малої потужності і незначного площинного поширення.
Водоносна лінза – те ж, що і водоносний шар, але лінзоподібної форми і порівняно обмежена по площі поширення.
Водоносний горизонт – обводнена пачка осадових або вулканогенних порід однорідного або різнорідного петрографічного складу, генезису і віку, з різною водопроникністю, але з єдиною п’єзометричною поверхнею, обмежена знизу й зверху регіонально витриманими водотривами.
Водоносний комплекс – обводнена товща осадових або вулканогенних порід різнорідного петрографічного складу, генезису і віку з різною водопроникністю, із єдиною або різною пьєзометричною поверхнею, що не має знизу чітко вираженого регіонального водотриву і місцевих водотривів для виділення в ній водоносних горизонтів.
Води спорадичного поширення являють собою скупчення підземних вод у гідравлічно роз'єднаних лінзах і прошарках, що залягають на різній глибині і знаходяться усередині осадової водопроникної або слабопроникної товщі.
У передгірних западинах, у синеклізах платформ і у великих міжгірних западинах майже завжди існує не один, а кілька водоносних горизонтів, які можна об'єднати у водонапірну систему – групу суміжних вище й нижче залягаючих водоносних горизонтів і комплексів, що знаходяться в межах великої одиниці стратиграфічної шкали і присвячені до негативної геологічної структури. Водонапірна система може включати останню цілком або частково.
Ґрунтові води – це підземні води, що утворюють одну із самих верхніх гідрогеологічних зон. На формування ґрунтових вод впливають безпосередньо: атмосфера, поверхневі води, клімат, ґрунтовий і рослинний покрив, рельєф, склад водовміщуючих порід порід зони аерації.
Горизонт ґрунтових вод – перший від поверхні землі постійний у часі, регіонально витриманий водоносний горизонт, що має єдину (або загальну) гідравлічну поверхню, тиск на якій, як правило, дорівнює атмосферному.
Верховодка – це найближчі до поверхні ґрунтові води, що розвинуті на невеликих площах і непостійні в часі.
15.2. Класифікація підземних вод
Всі підземні води за умовами залягання, характером уміщуючих гірських порід та геологічними структурами поділяють на 3 великі групи (за
І.М. Ципіною, 1974):
I. Для районів поширення осадових, метаморфізованих або слабко
метаморфізованих і, частково, для вулканогенних порід:
1. Верховодка, що має практичне значення і більш або менш широке поширення.
2. Болотні води і води обводнених торфовищ.
3. Ґрунтові води льодовикових відкладень: а) основної (піщаної) морени; б) надморенні; в) зандрів; г) озів; д) кінцевоморенних утворень (власне кінцевих морен, камів, друмлінів і т.п.).
4. Ґрунтові води річкових, озерних і морських відкладів: а) сучасних і древніх алювіальних відкладів і надзаплавних терас; б) похованих долин; в) сучасних і древніх озерних відкладів; г) сучасних і древніх морських прибережних відкладів; д) піщаних островів; е) пролювіальних відкладів і відкладів передгірних шлейфів.
5. Ґрунтові води: а) лесів і лесовидних суглинків; б) бугристо-грядових пісків і піщаних масивів; в) дюн і барханів.
6. Лінзи прісних вод — підлиманні, підтакирні, низькогірних і передгірних рівнин, підпіщані, піщаних пустель.
7. Ґрунтові води дочетвертинних відкладів, що підрозділяються за віком водовміщуючих порід.
8. Води спорадичного поширення. '
9. Артезіанські водоносні горизонти, що підрозділяються за віком водовміщуючих порід і (якщо це потрібно) за ознакою літолого- гідродинамічної неоднорідності: а) водоносних підгоризонтів; б) однорідних, умовно однорідних і неоднорідних водоносних горизонтів; в) у двох, трьох і більш артезіанських водоносних горизонтах із визначенням для усіх водоносних горизонтів умов їхнього дренування (поверхневе, підземне і змішане) і умов поширення (необмежені, літологічно або стратиграфічно виклинювані, замкнуті, підземного поширення).
10. Водоносні комплекси, що підрозділяються за віком водовміщуючих порід, із визначенням так само, як і для попередніх водоносних горизонтів, умов дренування й обмеженості або необмеженості їхнього поширення по падінню пластів.
11. Карстові води: а) регіонального й локального поширення; б) карстові ріки й озера.
12. Води зон тектонічних розломів.
13. Води лавових потоків.
II. Для районів поширення вивержених і осадових сильно
метаморфізованих порід.
14. Води регіонального поширення: а) ґрунтові води зони відкритої тріщинуватості, що підрозділяються по петрографічному складу, генезису й віку водовміщуючих порід; б) води водоносних серій і свит із поділом вод за віком і генезисом водовміщуючих порід; в) напірні води похованих зон
відкритої тріщинуватості; г) води елювію вивержених сильно метаморфізованих порід; д). напірні води кристалічного фундаменту.
15. Води локального поширення: а) води зон тектонічних розломів; б) води глибоких відкритих і закритих тріщин; в) води контактів метаморфізованих порід з інтрузивними тілами, у т. ч. дайками і жилами; г) води стратиграфічно незгідних контактів.
III. Для районів розвитку багаторічної мерзлоти.
16. Води регіонального поширення: а) верховодка, що має практичне значення і більш-менш широке поширення; б) надмерзлотні (ґрунтові) води перемінного річного й фазового режиму, що підрозділяються за віком і генезисом водовміщуючих порід; в) постійні ґрунтові надмерзлотні води, що поділяються за віком і генезисом водовміщуючих порід; г) різні інші води підмерзлотних вод.
17. Води локального поширення: а) води багаторічних та сезонних замкнутих таликів уздовж рік; б) надмерзлотні багаторічні підруслові води уздовжневеликих рік; в) підруслові багаторічні води уздовж великих рік, що часто з'єднуються з підмерзлотними водами; г) води надзаплавних терас великих рік; д) води конусів виносу, гірських осипів і обвалів; е) води відкладів морських узбереж; ж) води не наскрізних і наскрізних таликів, що підрозділяються на річкові й озерні; з) міжмерзлотні термокарстові води спорадичного поширення; е) міжмерзлотні води (при ярусній будівлі багаторічномерзлих порід) напірні, спорадичного поширення і підруслові.
15.3. Режим підземних вод і фактори, що на нього впливають
Для підземних вод, так як і для поверхневих, теж характерний певний режим. Режим підземних вод – це зміна в часі рівнів підземних вод, температури, фізичних властивостей, хімічного, газового складу, швидкості руху. витрати і т.д. Режим підземних вод визначається геологічною обстановкою
і кліматичними умовами, а також господарською діяльністю людини (осушення, зрошення, будівництво водозаборів, дренажних споруд і т.д.). Уявлення про
класифікацію факторів режиму підземних вод дає таблиця 1.
Режими ґрунтових і артезіанських вод суттєво відрізняються. Режим
ґрунтових вод повністю визначається метеорологічними факторами
(атмосферними опадами, температурою повітря, випаровуванням і т.д.).
Нерівномірність інфільтрації атмосферних опадів є основною причиною зміни рівня ґрунтових вод. Окрім того, особливо в межах урбанізованих територій, значний відбиток на рівні ґрунтових вод накладають переущільнення ґрунтів унаслідок забудованості території та втрати вологи в системі підземних
інженерних комунікацій (водопроводу, каналізації, теплоцентралей і т.д.).
Режим артезіанських вод характеризується дещо більшою стабільністю.
На рівень артезіанських вод теж дуже сильно впливає діяльність людини (забір підземних вод для водопостачання населення й промисловості, штучне водопониження при проведенні будівельних, гірничих та ряду інших робіт), особливо на урбанізованих територіях. Внаслідок десятиліть експлуатації, рівень артезіанських вод знижується й утворюються депресійні воронки
підземних вод. Так, наприклад, в Москві глибина такої воронки становить до
15. Води локального поширення: а) води зон тектонічних розломів; б) води глибоких відкритих і закритих тріщин; в) води контактів метаморфізованих порід з інтрузивними тілами, у т. ч. дайками і жилами; г) води стратиграфічно незгідних контактів.
III. Для районів розвитку багаторічної мерзлоти.
16. Води регіонального поширення: а) верховодка, що має практичне значення і більш-менш широке поширення; б) надмерзлотні (ґрунтові) води перемінного річного й фазового режиму, що підрозділяються за віком і генезисом водовміщуючих порід; в) постійні ґрунтові надмерзлотні води, що поділяються за віком і генезисом водовміщуючих порід; г) різні інші води підмерзлотних вод.
17. Води локального поширення: а) води багаторічних та сезонних замкнутих таликів уздовж рік; б) надмерзлотні багаторічні підруслові води уздовжневеликих рік; в) підруслові багаторічні води уздовж великих рік, що часто з'єднуються з підмерзлотними водами; г) води надзаплавних терас великих рік; д) води конусів виносу, гірських осипів і обвалів; е) води відкладів морських узбереж; ж) води не наскрізних і наскрізних таликів, що підрозділяються на річкові й озерні; з) міжмерзлотні термокарстові води спорадичного поширення; е) міжмерзлотні води (при ярусній будівлі багаторічномерзлих порід) напірні, спорадичного поширення і підруслові.
15.3. Режим підземних вод і фактори, що на нього впливають
Для підземних вод, так як і для поверхневих, теж характерний певний режим. Режим підземних вод – це зміна в часі рівнів підземних вод, температури, фізичних властивостей, хімічного, газового складу, швидкості руху. витрати і т.д. Режим підземних вод визначається геологічною обстановкою
і кліматичними умовами, а також господарською діяльністю людини (осушення, зрошення, будівництво водозаборів, дренажних споруд і т.д.). Уявлення про
класифікацію факторів режиму підземних вод дає таблиця 1.
Режими ґрунтових і артезіанських вод суттєво відрізняються. Режим
ґрунтових вод повністю визначається метеорологічними факторами
(атмосферними опадами, температурою повітря, випаровуванням і т.д.).
Нерівномірність інфільтрації атмосферних опадів є основною причиною зміни рівня ґрунтових вод. Окрім того, особливо в межах урбанізованих територій, значний відбиток на рівні ґрунтових вод накладають переущільнення ґрунтів унаслідок забудованості території та втрати вологи в системі підземних
інженерних комунікацій (водопроводу, каналізації, теплоцентралей і т.д.).
Режим артезіанських вод характеризується дещо більшою стабільністю.
На рівень артезіанських вод теж дуже сильно впливає діяльність людини (забір підземних вод для водопостачання населення й промисловості, штучне водопониження при проведенні будівельних, гірничих та ряду інших робіт), особливо на урбанізованих територіях. Внаслідок десятиліть експлуатації, рівень артезіанських вод знижується й утворюються депресійні воронки
підземних вод. Так, наприклад, в Москві глибина такої воронки становить до
90 м, в Києві – до 60 м, в Парижі –до 120 м. Зниження рівнів води тягне за собою і зміну їх фізичних властивостей, хімічного, газового, бактеріального складу підземних вод, зникнення джерел, обміління рік і озер, зміну властивостей гірських порід і т.д.
Таблиця 1
Класифікація факторів режиму підземних вод (За М.Є. Альтовським)
Генетичні групи факторів
Фактори повільно змінюються швидко змінюються епізодичні
Кліматичні
Типи клімату
Сезонні опади, випаровування, температура повітря, атмосферний тиск
Зливи, відлиги
Гідрологічні
Типи режиму рік, озер і морів
Повені, прибій, припливи та відпливи
Паводки, згон і нагон води вітром, льодові затори
Геологічні
Геологічні структури, тек- тонічні рухи, внутрішня енергія та кінематика Землі, радіоактивні елементи гірських порід
–
Землетруси, виверження вулканів, грязеві вулкани, зсуви
Ґрунтові
Типи грунтотвірного процесу
–
–
Біогенні
Багатостолітня транспірація рослинних угрупувань
Сезонна транпірація рослинності
–
Штучні
–
Осушення, обводнення
–
Вивчення режиму підземних вод при наявності на досліджуваній
території водозабірних і інших споруд, що впливають на цей режим.
Перед будівництвом водозабору обладнують спостережливу мережу, що складається не менш ніж із двох взаємно перпендикулярних поперечників, що проходять через місце закладення майбутнього водозабору по напрямку
ґрунтового потоку і перпендикулярно до нього. Це необхідно для прогнозу розвитку депресійної воронки водозабору (рівня водопониження внаслідок експлуатації), а також для вивчення районної воронки депресії, якщо водозабір здійснюється декількома свердловинами чи ділянками. При цьому кінцеві спостережні свердловини на поперечниках варто розташовувати за межами передбачуваної воронки депресії з метою ув'язування й аналізу режиму
ґрунтових вод у природних і порушених водозаборами умовах.
При уведенні водозаборів в експлуатацію організуються систематичні спостереження за утворенням і розвитком депресійної воронки кожного водозабору та районної депресійної воронки усіх водозаборів, а також за режимом роботи водозаборів. При цьому точки спостережень повинні бути розташовані як у зоні, так і поза зоною впливу штучних споруд або агромеліоративних заходів, що дозволить більш повно виявити вплив останніх на закономірності зміни режиму штучних споруд: для водозабірних споруд
(колодязів, свердловин, галерей) – часу й тривалості роботи, кількості води, що відбирається, для полів зрошення – часу поливу і його тривалості, кількості і
якості води, що надійшла на зрошувану ділянку, схеми розподілу води, що витрачається на випаровування, інфільтрацію, стік і транспірацію рослинами; для гірничих виробок – водовідливу і його режиму.
Під балансом підземних вод якого-небудь району розуміють складний природний процес їх живлення й витрати (розвантаження) за певний проміжок часу, що обумовлюється природними факторами і господарською діяльністю людини. Для розрахунку балансу реалізується комплекс спостережень за величиною інфільтрації атмосферних опадів, випаровуванням підземних вод, підземним стоком, та іншими прибутковими і витратними складовими водного балансу. Паралельно визначається і сольовий баланс.
При розвідці підземних вод для цілей водопостачання, при оцінці обводненості родовищ корисних копалин, при прогнозі заболочення територій та при вирішенні цілого ряду інших прикладних задач необхідно дати кількісну оцінку запасів (ресурсів) підземних вод. Запаси (ресурси) підземних вод поділяються на природні, експлуатаційні і штучні.
Природні ресурси являють собою загальну кількість підземних вод, що знаходяться в порах і тріщинах водоносного пласту в спокійному стані, або рухаються в природних умовах із витратою не зміненою штучними
(антропогенними) факторами (водозаборами, гідромеліоративними системами).
Експлуатаційні ресурси – це кількість (або витрата) підземних вод в м
3
на добу, яка може бути видобута із підземних водоносних горизонтів раціональними в техніко-економічному відношенні водозабірними спорудами, при заданому режимі експлуатації і якості води і задовольняє ці вимоги протягом всього періоду водоспоживання.
Штучні запаси утворюються шляхом створення спеціальних гідротехнічних споруд (поглинаючих свердловин, каналів, фільтраційних басейнів), а також шляхом затримки й перерозподілу поверхневого стоку. Такі споруди іноді ще називають “штучним відтворенням ресурсів підземних вод”.
Під балансом підземних вод якого-небудь району розуміють складний природний процес їх живлення й витрати (розвантаження) за певний проміжок часу, що обумовлюється природними факторами і господарською діяльністю людини. Для розрахунку балансу реалізується комплекс спостережень за величиною інфільтрації атмосферних опадів, випаровуванням підземних вод, підземним стоком, та іншими прибутковими і витратними складовими водного балансу. Паралельно визначається і сольовий баланс.
При розвідці підземних вод для цілей водопостачання, при оцінці обводненості родовищ корисних копалин, при прогнозі заболочення територій та при вирішенні цілого ряду інших прикладних задач необхідно дати кількісну оцінку запасів (ресурсів) підземних вод. Запаси (ресурси) підземних вод поділяються на природні, експлуатаційні і штучні.
Природні ресурси являють собою загальну кількість підземних вод, що знаходяться в порах і тріщинах водоносного пласту в спокійному стані, або рухаються в природних умовах із витратою не зміненою штучними
(антропогенними) факторами (водозаборами, гідромеліоративними системами).
Експлуатаційні ресурси – це кількість (або витрата) підземних вод в м
3
на добу, яка може бути видобута із підземних водоносних горизонтів раціональними в техніко-економічному відношенні водозабірними спорудами, при заданому режимі експлуатації і якості води і задовольняє ці вимоги протягом всього періоду водоспоживання.
Штучні запаси утворюються шляхом створення спеціальних гідротехнічних споруд (поглинаючих свердловин, каналів, фільтраційних басейнів), а також шляхом затримки й перерозподілу поверхневого стоку. Такі споруди іноді ще називають “штучним відтворенням ресурсів підземних вод”.