Подземные воды

Подземные воды

Подзе́мные во́ды — воды, находящиеся в водовмещающих осадочных породах, формирующих верхний слой земной коры. В зависимости от условий окружающей среды, таких как температура, давление и типы горных пород, эти воды могут находиться в твёрдом, жидком или газообразном состоянии.

Классификация подземных вод зависит от свойств грунтов, из которых состоит земная кора, их влагоёмкости и глубины залегания. Слои водоносных пород называются «водоносными горизонтами». Водоносные горизонты с пресной водой считаются одними из главных стратегических ресурсов.

Основные характеристики

Подземные воды представляют собой природные растворы, содержащие более 60 химических элементов, среди которых наиболее распространены K, Na, Ca, Mg, Fe, Cl, S, C, Si и N, а также микроорганизмы, способствующие окислению и восстановлению различных веществ.

На склоне горы Машук в Пятигорске, Россия, расположены источники минеральной воды. Обычно подземные воды обогащены газами, такими как CO₂, O₂, N₂ и C₂H₂. В зависимости от уровня минерализации (г/л) подземные воды делятся на пресные (менее 1), солоноватые (1—10), солёные (10—50) и рассолы (более 50 г/л). В более современных классификациях к рассолам относятся воды с минерализацией свыше 36 г/л. Температура подземных вод варьируется от −14 °C (переохлаждённые рассолы) до 450 °C (пар), а давление может колебаться от нескольких до 3 тыс. МПа. В зависимости от температуры (°C) выделяют переохлаждённые (ниже 0), очень холодные (0—4), холодные (4—20), тёплые (20—37), горячие (37—50), очень горячие (50—100) и перегретые воды (выше 100 °C).

Классификация

Согласно условиям залегания, подземные воды делятся на следующие типы:

• почвенные;
• верховодка;
• грунтовые;
• межпластовые;
• карстовые;
• трещинные.

Почвенные воды находятся на поверхности и заполняют поры в почве. Они передвигаются благодаря молекулярным, капиллярным силам и гравитации. В зоне аэрации выделяются три слоя почвенных вод:

1. Почвенный горизонт с переменной влагой — корнеобитаемый слой, где происходит обмен влаги между атмосферой, почвой и растениями.
2. Подпочвенный горизонт — часть, куда влага не всегда доходит, оставаясь «сухой».
3. Горизонт капиллярной влаги — капиллярная кайма.

Верховодка представляет собой временное накопление подземных вод в ближайшем к поверхности слое водоносных отложений. Эти безнапорные воды образуются от инфильтрации атмосферных и загрязнённых поверхностных вод, а также конденсации водяных паров. Верховодка характеризуется изменчивостью: в засушливые периоды может исчезать, а во время дождей и оттепелей вновь появляться. Она подвержена резким колебаниям в зависимости от погоды. Также к верховодке относятся воды, возникающие в болотах от избыточного питания, а также стоки от утечек из водопроводов. В регионах с многолетней мерзлотой эти воды называются надмерзлотными. Характерно, что верховодка обычно пресная, но может содержать органические загрязнители и увеличенное количество железа и кремнекислоты. Хотя она не является надёжным источником водоснабжения, существуют методы искусственного сохранения таких вод, включая создание водоёмов и насаждение растений, помогающих задержать снег.

Грунтовые воды располагаются в постоянном водоносном горизонте, находящемся на первом уровне от поверхности и поддерживаемом водонепроницаемым слоем. У этих вод есть свободная поверхность, называемая зеркалом или уровнем грунтовых вод. Межпластовые воды находятся между водоупорными слоями. Эти воды под давлением называются напорными или артезианскими. При вскрытии скважин артезианские воды могут подниматься выше верхней границы водоносного пласта, и если пьезометрический уровень (отметка напорного уровня) превышает поверхность земли, вода начнёт фонтанировать. Плоскость, определяющая положение этого напорного уровня, называется пьезометрическим уровнем. Высота подъёма воды над водоупорным слоем называется напором.

Артезианские воды находятся в водопроницаемых отложениях, заключённых между водонепроницаемыми слоями, полностью заполняют пустоты в пласте и также находятся под давлением. Уровень воды в скважине называется пьезометрическим, и он выражается в абсолютных отметках. Самоизливающиеся напорные воды обычно имеют локальное распространение и наиболее известны садоводам как «ключи». Геологические структуры, где расположены артезианские водоносные горизонты, называются артезианскими бассейнами. Карстовые воды находятся в пустотах, образованных в результате растворения и вымывания горных пород. Трещинные воды заполняют трещины в горных породах и могут быть как под давлением, так и без давления.

Подземные воды

Запасы подземных вод

В отличие от запасов твёрдых полезных ископаемых, запасы пресных подземных вод могут частично или полностью восстанавливаться в процессе эксплуатации. Запасы и ресурсы подземных вод делятся на несколько категорий (по Николаю Николаевичу Биндеману, Файбишк Минаевичу Бочеверу, Николаю Алексеевичу Плотникову, Леониду Семёновичу Язвину): динамические запасы подземных вод, естественные запасы и ресурсы, искусственные запасы и ресурсы, привлекаемые ресурсы и эксплуатационные запасы и ресурсы подземных вод.

Динамические запасы подземных вод обозначают естественный расход подземного потока, который можно определить с помощью формул расхода или косвенно на основе величины питания подземных вод. Естественные запасы подземных вод — это объём гравитационной воды, находящейся в водоносном слое. Естественные ресурсы формируются из объёма воды, попадающей в водоносный горизонт естественным образом, включая инфильтрацию атмосферных осадков, фильтрацию из рек, озёр и водохранилищ, а также приток из соседних горизонтов. Эти ресурсы выражаются в единицах расхода — м³/с или м³/ч.

Искусственные запасы представляют собой объём воды в пласте, который поступает из водохранилищ, оросительных систем, каналов и фильтрационных бассейнов (в м³). Искусственные ресурсы подземных вод означают питание водоносного горизонта за счёт фильтрации воды из рек, каналов, водохранилищ и массивов орошения. Привлекаемые ресурсы — это увеличение пополнения подземных вод при эксплуатации водозаборов, обусловленное повышением скорости фильтрации в слое и перетеканием из соседних водоносных горизонтов. Также часть привлекаемых ресурсов формируется благодаря снижению испарения с поверхности вод.

Методы поиска подземных вод

Предварительная разведка

Геофизические исследования являются простым способом нахождения стабильного водоносного источника. На основе геологического разреза выявляются особенности геологического строения и порядок расположения слоёв пород на исследуемой территории. Эти услуги предоставляют компании, занимающиеся разведывательной геофизикой, а также специалисты, занимающиеся бурением скважин для водозабора. Цели разведки:

1. Изучение гидрогеологии местности.
2. Количественная и качественная оценка водоносного горизонта.

По результатам разведки становится известным размер водоносного горизонта, возможности дебета для удовлетворения потребностей домохозяйства и условия эксплуатации источника. На перспективных участках исследования продолжаются, дополняя разведку для полного изучения инженерно-геологических характеристик. Инженеры определяют вероятность оползней, устойчивость и буримость пород, а также уровень просадки почвы. Может быть проведена детальная гидрогеологическая съёмка для выявления запасов и состава подземных водоносных слоёв. В хорошо изученных районах с действующими источниками разведка проводится на основании достоверности категории С2. В рамках этой категории оценивается перспектива участка, используя геолого-геофизические данные разведанных месторождений с аналогичными условиями залегания водоносных слоёв. Для самостоятельного поиска можно пробурить разведочную скважину с помощью ручного бура. При этом бур наращивается отрезками стальной трубы (штангами), а извлечение грунта осуществляется каждые 10—15 метров. Основной недостаток данного метода заключается в том, что он не позволяет проверить параметры подземного источника, и колодец, полученный таким способом, может заполняться очень медленно.

Можно провести разведку, обратившись в компании, которые занимаются инженерно-геологическими изысканиями в данном районе. Эти материалы находятся в открытом доступе и могут быть получены бесплатно. Строительные организации, проводившие исследования под конкретные объекты, также владеют аналогичной информацией. Геологоразведка перед бурением скважины не является рациональным шагом. Обычно исследование проводится параллельно с разработкой источника, что позволяет значительно сэкономить средства.

Электрическое зондирование

Этот метод широко применяется для разведки перспективных участков и осуществляется через вертикальное зондирование грунта с использованием специализированного исследовательского оборудования. Инженеры проводят сравнение электрического сопротивления пород и водоносного слоя. Воды, содержащиеся в грунте, характеризуются более низким сопротивлением, тогда как скелетные породы имеют высокие показатели. Сопротивление измеряется на каждом уровне с помощью регистратора тока, что позволяет выявлять участки с подземными водами. Однако у методики есть недостаток — вероятность погрешности, если поблизости расположены железнодорожные пути, металлические ограждения или залежи железной руды.

Сейсмическая разведка

Спектральная сейсморазведка — это современный научный метод, используемый для поиска. Контроль колебаний кинематики волн осуществляется с помощью специализированных приборов. Оборудование помогает обнаружить участки с высоким сейсмическим фоном. Генерируемые волны проникают в породы и отражаются обратно. Измерения проводятся в нескольких точках: на прилегающей территории и затем в зоне поиска источника.

Полученные результаты заносятся в компьютер. После обработки данных специалисты определяют наличие водоносных горизонтов. Если уровень сейсмического фона превышает норму, это указывает на присутствие артезианской воды. На основе этой информации инженеры могут выбрать оптимальные места для бурения. Однако метод имеет значительный недостаток — его высокая стоимость. Достоверную сейсморазведку проводят только несколько авторитетных научно-производственных организаций.

Бурение разведочных скважин

Этот высокоточный метод позволяет изучить геологические породы, преобладающие в определённой зоне. Он используется при обустройстве крупных водозаборов для нескольких домохозяйств, но требует значительных затрат. Разведку проводят в нескольких точках участка. В ходе работ бурят 2—3 разведочные скважины, что обеспечивает высокую надёжность результатов. Производительные вращательные методы позволяют получить данные в короткие сроки. Они помогают оценить перспективность площадки на основе характеристик водовмещающих пород. Владельцу предоставляется информация о залегающих слоях, их толщине и глубине водоносного горизонта. Благодаря разведочному бурению скважина или колодец не окажутся пустыми. Существуют различные методы разведочных работ:

• Колонковый: Разведка проводится на большую глубину с вращением колонковой трубы. Буровая колонка прорывает породу, а для вывода разрушенной породы на поверхность используется промывочный раствор или сжатый воздух.
• Роторный: В этом методе поверхностный ротор передаёт вращательное движение на колонну. Забой очищается от обломков породы с помощью воды или раствора.
• Ударно-канатный: Здесь порода разбивается буровым снарядом, который крепится на канате. Осколки породы и измельчённый грунт поднимаются на поверхность с помощью желонки.

Выбор метода бурения зависит от финансовых возможностей заказчика и геологии участка, включая состав грунта, параметры залегания слоёв и другие факторы. Расчёт стоимости основывается на цене погонного метра и глубине ствола. Также принимаются во внимание диаметр, сложность проходки и цена обсадных труб. В труднодоступных местах используются мобильные установки. Эффективный поиск основан на надёжных методах разведки. Специалисты рекомендуют использовать разведочное бурение, поскольку этот метод зарекомендовал себя при поиске подземных вод. Обращение к профессиональным компаниям может обеспечить нахождение воды в зоне с точностью до 95 %. После поиска важно провести оценку качества источника через специализированные службы.

Методы оценки водных источников

Существует несколько методов оценки источников водоснабжения, которые успешно применяются как для определения естественных ресурсов на региональном уровне, так и для исследования отдельных водозаборных участков. К гидродинамическим методам относятся:

• Изучение режима подземных вод;
• Расчёт расхода потока в поперечном сечении;
• Оценка питания за счёт перетекания подземных вод через слабопроницаемые слои.

Основной недостаток гидродинамических методов заключается в том, что они не позволяют точно определить многолетние изменения параметров подземного стока и средние многолетние значения.

К балансово-гидродинамическим методам относятся:

• Решение уравнений водного баланса на локальных участках;
• Определение разницы расхода рек на гидромеханических постах, находящихся выше и ниже исследуемого участка;
• Изучение родникового стока подземных вод на основе гидродинамических измерений;
• Генетическое расщепление гидрографов.

Региональная оценка естественных ресурсов обычно осуществляется на больших территориях для получения общей и средней характеристики ресурсов. Результаты оценки водоисточников могут использоваться:

• При разработке схем комплексного использования источников на больших участках;
• Для оценки вклада подземных стоков в общий водный баланс;
• Для планирования будущего использования ресурсов;
• Для региональной оценки различных гeo-геохимических процессов.

Естественные запасы подземных источников, которые не пополняются за счёт инфильтрации поверхностных вод, определяются при проектировании водозаборов из подземных источников с целью выявления степени обеспеченности эксплуатационного отбора. В этом случае общее значение естественных запасов рассматривается как нижняя граница эксплуатационных запасов исследуемого участка. На грунтовых и аллювиальных отложениях широких речных долин, при наличии специальных поперечных профилей потока, целесообразно применять методы разведки месторождений, которые позволяют определить неоднородность фильтрующих свойств пород и характеристики уклона потока. Для этого составляется фильтрационный профиль речной долины и выделяются отдельные фильтрационные блоки с различными показателями коэффициента фильтрации водоносных пород.