»

факторов: геологического строения района, рельефа местности, климатических условий. В целом зеркало грунтовых вод отражает рельеф земной поверхности. Наибольшая глубина залегания грунтовых вод отмечается на водоразделах, наименьшая − в понижениях рельефа.

Обычно грунтовые воды залегают на небольшой глубине − от 2 до 10 м. По степени минерализации воды преимущественно пресные, реже солоноватые и соленые, состав гидрокарбонатно-кальциевый, сульфатный и сульфатнохлоридный.

Грунтовые воды широко используют для водоснабжения во многих районах России.

Основные типы грунтовых вод

На территории России отмечаются следующие наиболее характерные типы грунтовых вид: речных долин; ледниковых отложений; степей и полупустынь; предгорных и горных районов.

Грунтовые воды речных долин. Характерной особенностью грунтового потока является его незначительная ширина в сравнении с длиной.

Водовмещающими породами являются песчаные и крупнообломочные аллювиальные (речные) отложения (рис. 25). В долинах равнинных рек это песок, песок с гравием, реже галечник, в долинах горных рек − валуны, галечник и гравий с песчаным заполнителем. Сверху рыхлообломочные породы часто покрыты иловатыми суглинками, супесями и глинами.

Подземные воды в аллювиальных отложениях обычно безнапорны. Глубина залегания грунтовых вод − от долей метра до 20 м и более (на повышенных участках долины). Мощность водоносной толщи пород обычно не превы-

шает 20-35 м.

Фильтрационные свойства аллювия крайне изменчивы, что связано с резкой неоднородностью пород по механическому составу.

Рис. 25. Вода в речных отложениях: 1 – водоносные известняки; 2 – речные отложения; 3 – водоупорные глины;

4 – водозаборные скважины

71

Наиболее водообильны крупнообломочные образования русловых отложений рек.

Воды речных долин обычно пресные, гидрокарбонатно-кальциевые иногда с повышенным содержанием железа (Сибирь, Дальний Восток).

Роль грунтовых вод речных долин в водоснабжении населенных пунктов и промышленных предприятий весьма значительна.

Воды аллювиальных отложений широко используются для водоснабжения городов Красноярска, Новосибирска, Воронежа, Уфы и многих других городов, расположенных в долинах крупных рек.

Грунтовые воды ледниковых отложений (рис. 26). Подземные во-

ды ледниковых отложений распространены в районах с избыточным увлажнением и невысоким испарением, поэтому питание их вполне обеспечено, а динамические запасы (естественные ресурсы) значительны. Грунтовые воды вод- но-ледниковых песков пресные с общей минерализацией 300-600 мг/л. В ряде районов они нуждаются в обезжелезивании и фторировании. Близкое залегание надморенных вод от поверхности земли требует тщательной охраны их от загрязнения.

Рис. 26. Подземные воды в ледниковых отложениях: 1 – грунтовые воды; 2 – межпластовые ненапорные (межморенные); 3 – артезианские воды (подморенные); 4 – дочетвертичные породы; 5 – водозаборные скважины

Подземные воды ледниковых отложений широко используются для водоснабжения населенных пунктов и промышленных предприятий северных и центральных областей европейской части России. Наиболее перспективны для поисков подземных вод такие положительные формы современного рельефа, как песчаные озы, камы. Большие запасы пресных вод приурочены также к древним ледниковым долинам.

Грунтовые воды сухих степей и полупустынь. Условия формиро-

вания грунтовых вод в этих засушливых районах неблагоприятны. Степи, а особенно полупустыни и пустыни в сравнении с другими районами бедны пресными фунтовыми водами и относятся преимущественно к зоне континентального засоления. Влага интенсивно испаряется здесь не только с открытой водной поверхности, но и с поверхности фунтовых вод, вызывая засоление почвенного покрова, образование солончаков и др. Ввиду слабой дренированности

72

равнинных территорий, грунтовые воды движутся медленно, их минерализация, как правило, высокая. Все это создает значительные трудности при решении вопросов водоснабжения, особенно в полупустынях и пустынях.

Однако и на их территориях, на отдельных участках могут быть обнаружены достаточные запасы пресных подземных вод.

Грунтовые воды предгорных и горных районов. Наибольший ин-

терес для водоснабжения в предгорных районах представляют воды конусов выноса. Конус выноса − это скопление рыхлообломочного материала (гальки, песка, гравия) в устьевой части горных потоков, в местах их выхода на равнину. Мощность грубозернистых отложений в конусе выноса огромна (от нескольких сот метров до 2-3 км).

Пресные грунтовые воды распространены в головной части конусов выноса (области питания), сложенной крупнообломочным материалом и в зонах интенсивного выклинования. Запасы их значительны.

Вгорных районах подземных вод меньше, чем в предгорных. Мощные потоки пресных грунтовых встречаются лишь в аллювиальных отложениях долин горных рек.

Вцелом, высоко оценивая роль грунтовых вод как источника питьевого водоснабжения, необходимо подчеркнуть, что грунтовые воды создают большие трудности при производстве строительных работ (заливают котлованы, траншеи и др.) и мешают нормально эксплуатировать различные здания и сооружения. В практике строительства чаще всего приходится принимать меры борьбы именно с грунтовыми водами.

Карты поверхности грунтовых вод (карты гидроизогипс). Для выявления характера поверхности (зеркала) грунтовых вод составляют карты гидроизогипс (рис. 27). Гидроизогипсами называют линии, соединяющие точки с одинаковыми абсолютными или относительными отметками уровней грунтовых вод. Эти линии аналогичны горизонталям рельефа местности и подобно им отражают рельеф зеркала вод. Форма поверхности грунтовых вод сложная и зависит от многих факторов: состава водовмещающих пород и их водопроницаемости, рельефа, условий залегания и дренирования. Карты гидроизогипс необходимы при решении многих задач, связанных с проектированием водозаборов подземных вод, борьбой с подтоплением территории и др. Для построения карты гидроизогипс замеряют уровни грунтовых вод в скважинах, расположенных обычно по сетке. Замеры уровней воды должны быть единовременными. Абсолютные отметки уровня подземных вод (hB) в скважинах определяют по формуле:

HВ = hп.з. − h,

где пп з − абсолютная отметка поверхности земли; h − глубина залегания подземных вод от поверхности земли, м.

Полученные абсолютные отметки надписывают над каждой скважиной и затем методом интерполяции строят гидроизогипсы. Сечение гидроизогипс

73

(частоту их заложения) выбирают в зависимости от масштаба карты и густоты расположения точек замера от 0,5 до 10,0 м, чаще 0,5; 1,0 и 2,0 м.

С помощью карты гидроизогипс (совмещенной с топоосновой) можно определить направление и скоростьдвижениягрунтовогопотокавлюбойточке.

Рис. 27. КартаРисгидроизогипс. 11.6. Карта: Агидроизогипс– грунтовые:водыучастокпитаютЛ —рекугр нтовые; Б – кналвопитает- грунтовыеды водыпитают; В –рекугрунтовые; Б—каналводыпитаетпитаютгрекуунтовыеи выходятводы;изВнее—

Для определения направления проводят перпендикуляр к гидроизогипсе в данной точке. Грунтовый поток движется по нормали в сторону меньших отметок. Для определения уклона потока грунтовых вод раз-ность отметок двух смежных гидроизогипс делят на расстояние между ними (по нормали) в соответствии с масштабом карты. Чем выше степень сгущения гидроизогипс, тем при прочих равных условиях больше уклон поверхности потока подземных вод, а, следовательно, выше и скорость движения. Используя положение гидроизогипс, в любой точке карты можно определить глубину залегания грунтовых вод (по разности отметок горизонталей и гидроизогипс).

Межпластовые подземные воды. Артезианские воды и бассейны

Межпластовыми водами называют водоносные горизонты, залегающие между двумя водоупорными слоями. В зависимости от условий залегания они могут иметь свободную поверхность или обладать напором.

Межпластовые ненапорные воды встречаются сравнительно редко. Уровень этих вод располагается ниже кровли первого водоупора, т. е. водопроницаемый слой не имеет полного заполнения. По условиям передвижения и характеру напоров эти воды аналогичны грунтовым водам. Однако область питания межпластовых вод не совпадает с областью их распространения. Питание вод происходит на участках выхода водоносного пласта на дневную поверхность или путем фильтрацииизрекидругихповерхностныхводотоковиводоемов.

Межпластовыми напорными или артезианскими называют воды, зале-

гающие между двумя водоупорными слоями и обладающие гидростатическим напором. В отличие от межпластовых ненапорных вод артезианские воды полностью насыщают водопроницаемый слой от подошвы до кровли. При вскрытии напорного водоносного пласта скважинами вода поднимается выше его водоупорной кровли, а при сильном напоре и низких абсолютных отметках земной поверхности может самоизливаться на поверхность (рис. 28) с высотой фонтанирования до нескольких десятков метров.

74

Рис. 28. АртезианскийРис. 11.7. Артезибассейнкий бассейн. Области. Обл: асти– питания: — питаниянапорныхнапорныводх; б – напора;

в – разгрузкивод;б —; 1напо– уровеньа; — разгрузкигрунтовых; / —водуровень; 2 – пьезометрическийуровеньгрунтовых вод; 2 — пье- напор-

зометрический уровень напорных вод; 3 — водоносный напорный пласт;

ных вод; 3 – водоносный напорный пласт; 4 – водоупоры; 5 – скважины;

4 — водоупоры; 5 — скважины; Н — величина пьезометрического

Н – величина пьезометрического напора

Артезианские воды обычно залегают на большой глубине и приурочены к синклинальным (прогнутым) геологическим структурам. При синклинальном залегании пластов создаются наиболее благоприятные условия для образования гидростатического напора. Напорные воды встречаются и при моноклинальном (односклоновом) залегании водоносных пластов, если последние резко изменяют свою водопроницаемость или выклиниваются. Они могут быть приурочены также и к зонам тектонических нарушений и разломов.

Геологические структуры синклинального типа, содержащие один или несколько напорных водоносных горизонтов и занимающие значительные площади (до нескольких сотен тысяч квадратных километров), называют артезианскими бассейнами. При моноклинальном залегании слоев образуется арте-

зианский склон (рис. 29).

Рис. 29. Артезианский склон: 1 – водоносные напорные пласты; 2 – водоупорные породы; 3 – водоносный напорный пласт; 4 – пьезометрические уровни; h1, h2 – высота напора

воды

Основные элементы артезианского бассейна. В артезианских бассейнах выделяют три области: питания, напора(распространения) иразгрузки(рис. 28).

Область питания распространена в приподнятой части артезианского бассейна, в месте выхода водопроницаемых слоев на поверхность. На ее территории происходит инфильтрационное питание напорных вод и переход поверхностного потока в подземный. Подземные воды в этой области не обладают напором и относятся к типу грунтовых. В местах с низкими отметками рельефа (долины крупных рек, озерные впадины, побережья морей) обычно располагаются области разгрузки артезианских вод. Напорные воды разгружаются непосред-

75

ственно в реки или отложения рек, под уровень моря или выходят на дневную поверхность, образуя родники и заболоченности. В области разгрузки напорные воды смешиваются с грунтовыми и становятся ненапорными. Общее направление движения артезианских вод – от области питания к области разгрузки.

Основную площадь артезианского бассейна занимает область напора (распространения). На ее территории подземные воды находятся под постоянным напором, который возрастает по мере приближения к осевой части синклинального прогиба. Величина напора вод характеризуется пьезометрическим уровнем, т. е. уровнем, который устанавливается в скважинах при вскрытии напорных вод. Если пьезометрический уровень расположен выше поверхности земли, высоту столба воды над устьем (началом) скважин, т. е. высоту самоизлива, определяют наращиванием обсадных труб.

Высота столба воды в метрах, отсчитываемая от кровли водного пласта, называется напором над кровлей h (рис. 30). Истинное значение напорности выражает пьезометрический напор Н, который отсчитывается от плоскости сравнения 0 – 0 (уровень моря) до пьезометрического уровня. Высота пьезометрического напора отсчитывается иногда не от плоскости сравнения, а от подошвы напорного водоносного пласта (Нп).

Напор воды создается благодаря перепаду отметок высот областей питания и разгрузки, т. е. обусловлен законом сообщающихся сосудов. Напорность связана также с упругими свойствами воды и вмещающих ее горных пород.

Карты пьезометрической поверхности напорных вод (карты гидроизопьез). Линии, соединяющие точки с одинаковыми отметками пьезометрического уровня, называют гидроизопьезами (или пьезогипсами). Карта гидроизопьез – совокупность таких линий и строится она методом интерполяции отметок, т. е. аналогично карте гидроизогипс.

Если напорных водоносных горизонтов несколько, для каждого из них на карте наносится своя система гидроизопьез.

С помощью карты гидроизопьез решают ряд практических задач, связанных с использованием артезианских вод для водоснабжения, с организацией защиты от них при вскрытии строительными котлованами кровли напорного пласта и т. д. По карте гидроизопьез изучают условия формирования потоков артезианских вод, определяют направление их движения (по нормали к гидропьезам в сторону меньших отметок), выделяют участки возможного само-

76

излива (при совмещении гидроизопьез с горизонталями), устанавливают гидравлическую связь напорных вод с реками и пр.

При использовании артезианских вод для водоснабжения наиболее перспективным считается самый верхний напорный горизонт, где обычно залегают слабоминерализованные (пресные) воды.

Артезианские воды практически не загрязнены и, как правило, обладают значительной водообильностью. К недостаткам следует отнести необходимость в ряде случаев проходки очень глубоких скважин для вскрытия напорного водоносного горизонта.

Общая характеристика основных артезианских бассейнов Рос-

сии. На территории России расположено несколько крупных артезианских бассейнов, т. е. значительных по размерам геологических структур, к которым приурочены напорные воды. Площади артезианских бассейнов измеряются десятками и сотнями тысяч квадратных километров. Наиболее крупные из них Западно-Сибирский, Московский, Якутский и др. В артезианских бассейнах сосредоточены огромные естественные запасы пресных, а также минеральных, промышленных и термальных вод.

Московский артезианский бассейн расположен на огромной терри-

тории (около 500 тыс. км2), в пределах Восточно-Европейской равнины. Мощность осадочного чехла, содержащего более 15 водоносных горизонтов различного возраста, составляет в центре бассейна около 3 км. Пресные воды артезианского бассейна широко используются для водоснабжения городов Москвы, Калуги, Тулы, Смоленска и др. В то же время подземные воды артезианского бассейна значительно осложняют проходку и эксплуатацию метрополитена в Москве, шахт в Подмосковном угольном бассейне и др., так как являются основными источниками их обводнения.

Московский артезианский бассейн характеризуется огромными запасами промышленных (бромных, йодо-бромных и др.) и минеральных вод.

Самым крупным на территории России является Западно-Сибирский артезианский бассейн. Площадь бассейна – около 3,5 млн км2, мощность осадочного чехла в его центральной части – 5-7 км. Для водоснабжения основное значение имеет верхний этаж, отделенный от нижнего гидрогеологического этажа мощной толщей песчано-глинистых отложений. Эксплуатационные запасы пресных и солоноватых вод только верхней части артезианского бассейна составляют 1100 м3/с. Велики запасы минеральных и термальных вод.

Мощными аккумуляторами подземных вод на территории России являются и другие артезианские бассейны платформенного типа: Якутский, АзовоКубанский, Причерноморский, Ангаро-Ленский и др.

Артезианские бассейны занимают лишь часть территории России. На остальной части территории распространены гидрогеологические массивы, приуроченные к поднятиям кристаллического фундамента, и складчатые области с преимущественным развитием трещинных вод. Известны, например, бассейны трещинных вод Алданского кристаллического массива, Саяно-Алтайской и Уральской складчатой области.

77

Подземные воды в трещиноватых и закарстованных породах

Трещинные воды – это подземные воды, циркулирующие в трещиноватых горных породах. Перемещаются они по системе взаимосвязанных трещин и образуют единую гидравлическую систему.

В зависимости от условий залегания трещинные воды могут быть грунтовыми, межпластовыми, жильными.

Трещинно-грунтовые воды развиты в верхней трещиноватой зоне кристаллических массивов (до глубины 80-100 м). Питаются они в основном за счет инфильтрации атмосферных осадков и отличаются значительными колебаниями уровня подземных вод во времени. Площади их питания совпадают с площадями распространения. Глубина залегания трещинно-грунтовых вод возрастает от долин к водоразделам (от нескольких метров до 80 м и более). Водоупором трещинно-грунтовых вод служат монолитные нетрещиноватые скальные породы. Водообильность трещинно-грунтовых вод определяется условиями их питания и степенью трещиноватости горных пород. Скальные породы, распространенные в долинах рек тектонического происхождения, более трещиноваты и водообильны, чем породы, слагающие водораздельные возвышенности. Буровая скважина может вскрыть водообильные трещинные воды или остаться безводной (рис. 31).

1

1

2

Рис. 31. Залегание трещинно-грунтовых вод: 1 – скважины; 2 – трещины с водой

Трещинно-грунтовые воды обычно расположены в зоне активного водообмена, поэтому в большинстве случаев они пресные, гидрокарбонатнокальциевого состава. Быстрое проникновение поверхностных осадков по системе трещин на глубину может приводить к загрязнению вод вредными органическими соединениями. Это необходимо учитывать при оценке трещинногрунтовых вод для питьевого водоснабжения.

Межпластовые трещинные воды циркулируют в артезианских бассейнах, водоносные горизонты которых представлены трещиноватыми горными породами.

Трещинно-жильные воды развиты локально, исключительно в зонах тектонических нарушений с крупными трещинами. Это линейно вытянутые узкие водные потоки (жилы), уходящие в глубину на несколько сот метров, поэтому они часто имеют повышенную температуру. Для трещинно-жильных вод характерен напорный режим. Как правило, они отличаются значительной водообильностью, нередко разгружаются на поверхности земли и образуют мощные родники.

78

Трещинно-жильные воды получают питание за счет трещинно-грунтовых вод, разгрузки глубокозалегающих напорных водоносных горизонтов и других источников.

При строительстве подземных сооружений (трубопроводы, тоннели и др.) в горно-складчатых областях необходимо принимать меры, предотвращающие внезапный прорыв водообильных трещинно-жильных вод.

Карстовые воды. Подземные воды, которые циркулируют по трещинам и пустотам карстового происхождения, называют карстовыми или тре-

щинно-карстовыми.

Движение карстовых вод происходит по весьма сложной системе трещин, каверн, карстовых каналов и пещер (рис. 32). Карстовые воды, перемещающиеся по системе взаимосвязанных крупных карстовых полостей (пещер), образуют карстовые потоки.

Рис. 32. Залегание карстовых вод в известняках: 1 – уровень карстовых вод; 2 – зона карстовых пустот, заполненных водой

Питание карстовых вод осуществляется за счет инфильтрации атмосферных осадков, подпитывания со стороны поверхностных водотоков и водоемов, а также перетекания подземных вод из других водоносных горизонтов. Значительная трещиноватость карстовых массивов способствует интенсивной инфильтрации атмосферных осадков и накоплению больших запасов карстовых вод. Как правило, подземные воды, циркулирующие в сильно закарстованных породах, обладают значительной водообильностью.

Химический состав карстовых вод определяется в основном составом вмещающих пород и гидродинамической зональностью. В зоне интенсивного водообмена карстовые воды обычно пресные, гидрокарбонатные (в известняках) или жесткие сульфатные (в гипсах). В зонах замедленного водообмена карстовые воды, минерализованные и сильно минерализованные, вплоть до рассолов, состав – хлоридный. Карстовые воды могут легко загрязняться с поверхности земли, поэтому исследованию их бактериального загрязнения придается большое значение. В целом роль карстовых вод в разрешении проблем водоснабжения многих районов страны (Урал, Восточная Сибирь и др.) существенна. Вместе с тем значительная водообильность карстовых вод может вызвать и серьезные осложнения при строительстве и эксплуатации различных сооружений в толще закарстованных пород (повышенные водопритоки к строительным котлованам, утечки вод из водохранилищ и т. д.) [9].

79

Подземные воды районов многолетней мерзлоты

Подземные воды в районах многолетней мерзлоты (Сибирь, Крайний Север, Дальний Восток и др.) характеризуются своеобразными условиями залегания, циркуляции и стока. Главная их особенностью этих вод заключается в том, что они постоянно контактируют или непосредственно содержатся в толще пород с постоянной промороженностью, т. е. в толще многолетнемерзлых пород.

Многолетнемерзлые породы имеют мощность от нескольких метров до нескольких сот метров, содержат участки с постоянно положительной температурой (талики) и тольковверхнейчастисезоннопротаивают(деятельныйслой).

По количеству подземных вод районы многолетней мерзлоты уступают районам с умеренным климатом. Поверхностные же источники промерзают на длительный период, поэтому организация водоснабжения в этих районах представляет значительные трудности. С подземными водами связан и ряд геологических явлений, осложняющих строительство в районах с суровым климатом (наледи, бугры пучения и т. д.).

Подземные воды в районах многолетней мерзлоты классифицируют, по Н. И. Толстихину, на надмерзлотные, межмерзлотные и подмерзлотные.

Надмерзлотные воды подразделяют на воды сезонно-талого (деятельного) слоя и воды надмерзлотных таликов речных долин и озерных впадин. Подстилающим водоупором для них служит многолетнемерзлая толща, пустоты, трещины, поры которой постоянно заполнены льдом. Надмерзлотные воды образуют безнапорные горизонты типа верховодки и грунтовых вод. Питание надмерзлотные воды получают за счет инфильтрации осадков, таяния снежников и ледников, а также подпитывания в результате разгрузки подмерзлотных вод.

В первой половине зимы надмерзлотные воды деятельного слоя промерзают, и поскольку в этот период они залегают между двумя водоупорными слоями (снизу – толща многолетнемерзлых пород, сверху – горизонт сезонного промерзания), то развивают значительное давление и становятся напорными. По величине минерализации воды пресные и летом могут использоваться для водоснабжения, однако количество (запасы) их незначительно, а санитарнотехническое состояние не всегда удовлетворительно.

Надмерзлотные воды в зоне таликов под влиянием переноса тепла реками и озерами зимой обычно не промерзают и имеют постоянный сток. Это воды пресные, очень холодные(температура0,5-5°С), используютсядляводоснабжения.

Межмерзлотные воды содержатся внутри толщи многолетней мерзлоты как в твердой (лед), так и в жидкой фазе (зона прерывистых и сквозных таликов). Межмерзлотные воды в жидкой фазе обычно напорны. Распространены они не повсеместно и залегают в пределах таликов преимущественно в долинах рек. Постоянная циркуляция, отчасти высокая минерализация, предохраняет их от замерзания. Запасы межмерзлотных вод непостоянны и к концу зимы значительно сокращаются.

Подмерзлотные воды циркулируют ниже многолетнемерзлотной толщи, поэтому встречаются только в жидкой фазе. Воды напорны, величина напора над кровлей нередко достигает нескольких сотен метров. По условиям цирку-

80