Реферат: Подземные воды

Содержание

 

1.  введение                                                                                                                 стр.2

2. Происхождениеподземных вод                                                            стр.5

3. Классификацияподземных вод. Условия их залегания    стр.8

4. Питаниерек подземными водами. Методики расчета подземногостока                                                                                           стр.10

5. Заключение.Основные проблемы использования и защиты подземных вод                                                                                                   стр.12

6. списоклитературы                                                                                        стр.14


введение

Гидрогеология (от гидро – вода игеология)наука о подземных водах, изучающая их состав и свойства, происхождение,закономерности распространения и движения, а также взаимодействие с горнымипородами.

Гидрогеология тесно связана с гидрологией и геологией (в том числе и синженерной геологией), метеорологией, геохимией, геофизикой и другими науками оЗемле; опирается на данные математики, физики, химии и широко использует ихметоды исследования.

Все воды земной коры, находящиеся ниже поверхности Земли в горных породахв газообразном, жидком и твёрдом состояниях, называются подземными водами.Подземные воды составляют часть гидросферы – водной оболочки земного шара. Онивстречаются а буровых скважинах на глубине до нескольких километров. По даннымВ.И. Вернандского, подземные воды могут существовать до глубины 60 км в связи стем, что молекулы воды даже при температуре 2000о С диссоциированывсего на 2%. Приблизительные подсчёты запасов пресной воды в недрах Земли доглубины 16 километров дают величину 400 миллионов кубических километров, т.е.около 1/3 вод Мирового океана.

Накопление знаний о подземных водах, начавшееся с древнейших времен,ускорилось с появлением городов и поливного земледелия. Искусство сооружениякопаных колодцев до несколько десятков метров было известно за 2000-3000 тысячилет до н.э. в Египте, Средней Азии, Индии, Китае. В этот же период появилось илечение минеральными водами. В первом тысячелетии до нашей эры появились первыепредставления о свойствах и происхождении природных вод, условиях их накопленияи круговороте воды на Земле (в работах Фалеса и Аристотеля – в Древней Греции; ТитаЛукреция Кара и Витрувий – в Древнем Риме, и др.). Изучению подземных водспособствовало расширение работ, связанных с водоснабжением, строительствомкаптажных сооружений (например, кяризов у народов Кавказа, Ср. Азии), добычейсоленых вод для выпаривания соли путем копания колодцев, а затем и бурения(территория России, 12-17 века). Возникли понятия о водах ненапорных, напорных(поднимающихся снизу вверх) и самоизливающихся. Последние получили в 12 векеназвание артезианских — от провинции Артуа (древнее название «Артезия»)во Франции.

В эпоху Возрождения и позднее подземным водам и их роли в природныхпроцессах были посвящены работы многих ученых — Агриколлы, Палисси, Стено и др.В России первые научные представления о подземных водах как о природныхрастворах, их образовании путем инфильтрации атмосферных осадков игеологической деятельности подземных вод были высказаны М.В.Ломоносовым всочинении «О слоях земных» (1763 г.).

До середины 19 века учение о подземных водах развивалось как составнаячасть геологии. Затем оно обособляется в отдельную дисциплину.

Общая гидрогеология изучает происхождение подземных вод, их физические ихимические свойства, взаимодействие с вмещающими горными породами. Изучениеподземных вод в связи с историей тектонических движений, процессовосадконакопления и дианогенеза позволило подойти к истории их формирования и способствовалопоявлению в 20 веке новой отрасли гидрогеологии — палеогидрогеологии (учение оподземных водах прошлых геологических эпох).

Динамика подземных вод изучает движение подземных вод пол влияниеместественных и искусственных факторов, разрабатывает методы количественнойоценки производительности эксплуатационных скважин и запасов подземных вод.

Учение о режиме и балансе подземных вод рассматривает изменения вподземных водах (их уровне, температуре, химическом составе, условиях питания идвижения), которые происходят под воздействием различных природных факторов(атмосферных осадков, и условиях их инфильтрации, испарения, температуры ивлажности воздуха и почвенного слоя, влияния режимов поверхностных водоемов,рек, техногенной деятельности человека). Во второй половине 20 века началиразрабатываться методы прогноза режима подземных вод, что имеет важноепрактическое значение при эксплуатации подземных вод, гидротехническомстроительстве, орошаемом земледелии и решении других вопросов.

Из 510 миллионов квадратных километров площади земного шара 361 млн. кв. км(70,7 %) занимают моря и океаны, образуя единый Мировой океан, остальные 149(29,3 %) млн. кв. км занимает суша. В северном полушарии на долю сушиприходится 39,3 % площади полушария, в южном – 19,1 %. Об удельном весеэлементов влагооборота и их влиянии на общий оборот воды в природе можно судитьпо данным, приводимым ниже:

Таблица 1

Наименование показателя

Объем

1.   Испарения с океана

2.   Испарения с суши

3.   суммарное испарение

4.   Осадки на поверхность океана

5.   Осадки на поверхность суши

6.   Суммарные осадки

7.   Сток рек и подземных вод

447,9 тыс. км3

70,7 тыс. км3

518,6 тыс. км3

411,6 тыс. км3

107,0 тыс. км3

518,6 тыс. км3

36,3 тыс. км3

Под влиянием солнечной энергии с поверхности Мирового океана испаряется всреднем около 450,0 тыс. км3 воды. Некоторая часть этой влаги в видепара переносится воздушными течениями на материки. При определенных условияхводяные пары конденсируются и выпадают в виде дождя, снега, града и т.п.Выпавшие на сушу атмосферные осадки стекают по склонам местности, образуя ручьии реки, которые несут свои воды вновь в Мировой океан.

Часть выпавших осадков испаряется, часть просачивается в землю, образуяподземные воды, которые подземным стоком поступают в ручьи и реки и, такимобразом, также возвращаются в океан. Этот замкнутый процесс обмена междуатмосферой и земной поверхностью называется круговоротом воды в природе.

Таким образом, водность рек, используемых в народном хозяйстве в качествеисточников воды, тесно связана с влагооборотом Земли и зависит от распределенияводы между отдельными элементами круговорота воды в природе.

 

происхождение подземных вод

Подземные воды формируются в основном из вод атмосферных осадков,выпадающих на земную поверхность и просачивающихся (инфильтрующих) в землю нанекоторую глубину, и из вод из болот, рек, озер и водохранилищ, такжепросачивающихся в землю. Количество влаги, прогоняемой таким образом в почву,составляет по данным А.Ф.Лебедева, 15-20 % общего количества атмосферныхосадков.

Проникновение вод в грунты (водопроницаемость), слагающих земную кору,зависит от физических свойств этих грунтов. В отношении водопроницаемостигрунты делятся на три основные группы: водопроницаемые, полупроницаемые иводонепроницаемые или водоупорные.

К водопроницаемым породам относятся крупнообломочные породы, галечник,гравий, пески, трещиноватые породы и т.д. К водонепроницаемым породам –массивно- кристаллические породы (гранит, порфир, мрамор), имеющие минимальнуювпитывать в себя влагу, и глины. Последние, пропитавшись водой, в дальнейшем еене пропускают. К породам полупроницаемым относятся глинистые пески, лесс,рыхлые песчаники, рыхловатые мергели и т.п.

Подземные воды в земной коре распределены в двух этажах. Нижний этаж,сложенный плотными магматическими и метаморфическими породами, содержитограниченное количество воды. Основная масса воды находится в верхнем слоеосадочных пород. В нем по характеру водообмена с поверхностными водами выделяюттри зоны: зону свободного водообмена (верхнюю), зону замедленного водообмена(среднюю) и зону весьма замедленного водообмена (нижнюю). Воды верхней зоныобычно пресные и служат для питьевого, хозяйственного и техническоговодоснабжения. В средней зоне располагаются минеральные воды различногосостава. Это – древние воды. В нижней зоне находятся высокоминерализованные рассолы.Из них добывают бром, иод и другие вещества.

Подземные воды образуются различными способами. Как уже отмечалось выше,один из основных способов образования подземной воды – просачивание, илиинфильтрация, атмосферных осадков и поверхностных вод (озёр, рек, морей ит.д.). По этой теории, просачивающаяся вода доходит до водоупорного слоя инакапливается на нём, насыщая породы пористого и пористо-трещинноватогохарактера. Таким образом возникают водоносные слои, или горизонты подземныхвод. Поверхность грунтовых вод, называется зеркалом грунтовых вод. Расстояние h от зеркалагрунтовых вод до водоупора называют мощностью водоупорного слоя.

Количество воды, просочившийся в грунт, зависит не только от егофизических свойств, но и от количества атмосферных осадков, наклона местности кгоризонту, растительного покрова. Длительный моросящий дождь создает лучшиеусловия для просачивания, нежели обильный ливень, так как чем интенсивнееосадки, тем с большей скоростью выпавшая вода стекает по поверхности почвы.

Крутые склоны местности увеличивают поверхностный сток и уменьшаютпросачивание атмосферных осадков в грунт; пологие, наоборот, увеличивают ихпросачивание. Растительный покров (лес) увеличивает испарение выпавшей влаги ив то же время усиливает выпадение осадков. Задерживая поверхностный сток, онспособствует просачиванию влаги в грунт.

Для многих территорий земного шара инфильтрация является основным способомобразования подземных вод. Однако имеется и другой путь их образования – засчёт конденсации водяных паров в горных породах. В тёплое время года упругостьводяного пара в воздухе больше, чем в почвенном слое и нижележащих горныхпородах. Поэтому водяные пары атмосферы непрерывно поступают в почву иопускаются до слоя постоянных температур, расположенного на разных глубинах –от одного до нескольких десятков метров от поверхности земли. В этом слоедвижение паров воздуха прекращается в связи с увеличением упругости водяныхпаров при повышении температуры в глубине Земли. Вследствие этого возникаетвстречный поток водяных паров из глубины Земли вверх – к слою постоянныхтемператур. В поясе постоянных температур в результате столкновения двухпотоков водяных паров происходит их конденсация с образованием подземной воды.Такая конденсационная вода имеет большое значение в пустынях, полупустынях исухих степях. В знойные периоды года она является единственным источником влагидля растительности. Таким же способом возникли основные запасы подземной воды вгорных районах Западной Сибири.

Оба способа образования подземных вод – путём инфильтрации и за счётконденсации водяных паров атмосферы в породах – главные пути накопленияподземных вод. Инфильтрационные и конденсационные воды называются вандознымиводами (от лат. «vadare» – идти, двигаться). Эти водыобразуются из влаги атмосферы и участвуют в общем круговороте воды в природе.

Некоторые исследователи отмечают еще один способ образования подземныхвод. Многие выходы этих вод в районах современной или недавней вулканическойактивности характеризуются повышенной температурой и значительной концентрациейсолей и летучих компонентов. Для объяснения генезиса таких вод австрийскийгеолог Э. Зюсс в 1902 году выдвинул теорию ювенильного (от лат. «juvenilis» – девственный).Такие воды, как считал Зюсс, образовались из газообразных продуктов, в изобилиивыделяющихся при дифференциации магматического очага.

Более поздние исследования показали, что чистых ювенильных вод, как ихпонимал Э. Зюсс, в поверхностных частях Земли не существует. В природныхусловиях подземные воды, возникшие разными способами, смешиваются друг сдругом, приобретая те или иные черты. Однако определение генезиса подземных водимеет большое значение: оно облегчает подсчёт запасов, выяснение режима и ихкачество.

Во время весеннего половодья и паводков уровень воды в реке, поднимаясьвыше уровня речного потока, направленного к реке, вызывает отток воды из нее иподъем уровня грунтовых вод. Это снижает высоту уровня весенних половодий. Наспаде грунтовые воды начинают питать реку, и уровень грунтовых вод понижается.

Грунтовые воды могут образовываться за счет искусственных гидротехническихсооружений н апример таких, как оросительные каналы. Так, при строительствеКаракумской оросительной системы за счет переброса части стока сибирских рек, впустынной части значительное количество воды уходило не столько на поливныенужды, сколько на испарение и в грунт. Произошло это вследствие того, чтобольшая часть оросительной системы проходила по песчаным почвам, гдекоэффициент фильтрации достаточно высок, и несмотря на противофильтрационныемеры, падения уровней воды за счет фильтрации воды в грунт были велики. Все это,помимо уменьшения стока рек, приводило к тому, что содержащиеся в грунте солирастворялись грунтовыми водами, и при движении подводных потоков обратно вканал происходило заиление и засоление последнего.

классификация подземных вод.условия их залегания

По условиям залегания выделяют три типа подземных вод: верховодку,грунтовые и напорные, или артезианские.

Верховодкой называются подземные воды, залегающие вблизи поверхности землии отличающиеся непостоянством распространения и дебита. Обычно верховодкаприурочена к линзам водоупорных или слабо проницаемых горных пород,перекрываемых водопроницаемыми толщами. Верховодка занимает ограниченныетерритории, это явление – временное, и происходит оно в период достаточногоувлажнения; в засушливое время гола верховодка исчезает. Верховодка приуроченак первому от поверхности земли водоупорному пласту. В тех случаях, когдаводоупорный пласт залегает вблизи поверхности или выходит на поверхность, вдождливые сезоны развивается заболачивание.

К верховодке нередко относят почвенные воды, или воды почвенного слоя.Почвенные воды представлены почти связанной водой. Капельно-жидкая вода впочвах присутствует только в период избыточного увлажнения.

Грунтовые воды. Грунтовыми называются воды, залегающие на первомводоупорном горизонте ниже верховодки. Обычно они приурочены к выдержанномуводонепроницаемому пласту и характеризуются более или менее постоянным дебитом.Грунтовые воды могут накапливаться как в рыхлых пористых породах, так и втвёрдых трещиноватых коллекторах. Уровень грунтовых вод представляет собойнеровную поверхность, повторяющую, как правило, неровности рельефа в сглаженнойформе: на возвышенностях он ниже, в пониженных местах – выше. Грунтовые водыперемещаются в сторону понижения рельефа.

Уровень грунтовых вод подвержен постоянным колебаниям. Как отмечалосьвыше, на него влияют различные факторы: количество и качество выпадающихосадков, климат, рельеф, наличие растительного покрова, хозяйственнаядеятельность человека и многое другое.

Грунтовые воды, накапливающиеся в аллювиальных отложениях – один изисточников водоснабжения. Они используются как питьевая вода, для полива. Выходыподземных вод на поверхность называются родниками, или ключами.

Напорные, или артезианские воды. Напорными называют такие воды, которыенаходятся в водоносном слое, заключенном между водоупорными слоями, ииспытывают гидростатическое давление, обусловленное разностью уровней в местепитания и выхода воды на поверхность. Область питания у артезианских вод обычнолежит выше области стока воды и выше выхода напрных вод на поверхность Земли. Еслив центре такой чаши, или мульды, заложить артезианскую скважину, то вода из неебудет вытекать в виде фонтана по закону сообщающихся сосудов.

Размеры артезианских бассейнов бывают весьма значительными – до сотен идаже тысячи километров. Области питания таких бассейнов зачастую значительноудалены от мест извлечения воды. Так, воду, выпавшую в виде осадков натерритории Германии и Польши, получают в артезианских скважинах, пробуренных вМоскве; в некоторых оазисах Сахары получают воду, выпавшую в виде осадков надЕвропой.

Артезианские воды характеризуются постоянством дебита и хорошим качеством,что немаловажно для её практического использования.

 

питание рек подземными водами.методики расчета подземного стока

Подземные воды служат надежным источником питания рек. Они действуюткруглый год и обеспечивают питание рек в зимнюю и летнюю межень (или при низкихуровнях стояния горизонта воды), когда поверхностный сток отсутствует.

При сильно замедленных скоростях движения грунтовых вод, по сравнению споверхностными, подземные воды в речном стоке выступают как регулирующийфактор.

Также, при сильно замедленных или небольших скоростях движения грунтовыхвод, на реках Крайнего Севера при низких температурах воздуха, наблюдаетсяперемерзание (полное или частичное) реки, и тогда вода заходит с подпорнойчасти того водоема, в которую впадает река (это может быть главная река, море,озеро и т.п.). Такие явления наблюдаются, например, в п. Нижнеянск, которыйнаходится в 25 км от устья р.Яны, где в период стояния низких температур иполного перемерзания реки на перекатах, с подпора в русло реки выше по течениюот места перемерзания, заходит соленая вода из Северного Ледовитого океана.

Количественной мерой питания служит значение подземного стока, который, всвою очередь, характеризуется так называемым модулем подземного стока: Мподз.= К•М0/100,

где Мподз. – модуль подземного стока, л/сек с 1 км2водосборной площади;

М0 – средний многолетний модуль общего стока, л/сек с 1 км2поверхностного водосборного бассейна;

К – модульный коэффициент, показывающий процент подземного стока в общемстоке и определяемый по формуле К=Мmin/М0,

где Мmin — минимальныймодуль стока, л/сек с 1 км2 поверхностного водосборногобассейна, определяемый по зимнему расходу реки и равный модулю подземногостока, т.к. реки зимой питаются преимущественно подземными водами.

Модуль подземного стока является надёжным показателем для оценкиводоносности горных пород, распространённых на площади водосборного бассейнакакой-либо реки, т.к. он представляет собой то количество подземной воды (вл/сек), поступающее в реку с 1 кв. км того или иного водоносного горизонта,дренируемого рекой.

Кроме этих формул, величина подземного стока может быть определенагидрохимическим методом (по А.Т. Иванову): />,

где Qподз – годовой объёмподземного стока;

Q– годовой объём речного стока;

с — концентрация какого-либо компонента (например, хлора) в речной воде впериод наблюдений;

c1 – концентрация того же компонентав подземных водах в тот же период;

c2 — концентрация того же компонента в поверхностных водахв тот же период.

Согласно Б.И. Куделину, для более точного расчёта подземного стока малых исредних рек предлагается различать четыре типа питания рек подземными водами:

a)  Питание грунтовымиводами, гидравлически не связанными с рекой;

b)  Питание грунтовымиводами, гидравлически связанными с рекой;

c)  Смешанноегрунтовое питание (a+b);

d)  Смешанноегрунтовое и артезианское питание (a+b+c).

Согласно этих данных Б.И. Куделинымбыли предложены формулы для определения слоя hподз и коэффициентаподземного стока αподз. Слой подземного стока выражаетсяв миллиметрах в год (или любой другой единице времени) с одного квадратногокилометра площади подземного бассейна и рассчитывается как: />,

где hподз – слой подземногостока, мм/год;

Qподз – объемподземного стока с площади бассейна,м3/год;

F – площадьбассейна, м2.

Коэффициент подземного стока αподзпредставляет собой отношение подземного стока к осадкам, выпавшим на площадьданного речного водосборного бассейна, и показывает ту часть осадков, котораяидёт на питание подземных зон весьма интенсивного водообмена в бассейне: />, где x – слойосадков, мм/год.

Расчёты подземного стока обычнообобщаются в виде карт подземного питания, коэффициентов и модулей подземногостока, отражающих естественные ресурсы различных видов подземных вод, развитыхв пределах малых и средних речных бассейнов и их отдельных районов и участков.

 

заключение. основные проблемы использования и защитыподземных вод

В силу своего местонахожденияподземные воды лучше защищены от внешних воздействий, чем поверхностные, однакоимеются серьёзные симптомы неблагоприятного изменения режима подземных вод набольших площадях и в широком диапазоне глубин. К ним относятся: истощение ипонижение уровны подземных вод из-за чрезмерного отбора; внедрение на побережьеморских солёных вод; образование депрессионных воронок и другие.

Большую опасность представляетзагрязнение подземных вод. Можно выделить два типа загрязнений – бактериальноеи химическое. В определённых условиях в водоносные горизонты могут проникатьсточные и промышленные воды, загрязнённые поверхностные воды и атмосферныеосадки.

При создании водохранилищ врезультате подпора происходит повышение уровня грунтовых вод. Положительнымследствием такого изменения режима является увеличение их ресурсов в прибрежнойзоне водохранилища; отрицательными – подтопление прибрежной зоны, что вызываетзаболачивание территории, а так же засоление почв и грунтовых вод вследствиеповышенного их испарения при неглубоком залегании.

Ввиду небольших паводковых явлений(или вообще их отсутствия) на зарегулированных реках паводочное питаниеподземных вод значительно уменьшено. Скорости течения на таких реках снижаются,что способствует заилению русла; поэтому взаимосвязь речных и подземных водзатруднена.

В определённых условиях отборподземных вод может оказать существенное влияние на качество поверхностных вод.В первую очередь это относится к промышленной эксплуатации и сбросуминерализованных вод, сбросу шахтных и попутных нефтяных вод.

Отсюда следует, что должно предусматриватьсякомплексное использование и регулирование ресурсов поверхностных и подземныхвод. Примерами такого подхода могут служить использование подземных вод дляорошения в маловодные годы, а так же искусственное восполнение запасовподземных вод и сооружение подземных водохранилищ.


список литературы

[1]Новиков Ю.В., Сайфутдинов М.М. Водаи жизнь на Земле. – М.: Наука, 1981. – 184 с.

[2]Киссин И.Г. Вода под землёй. – М.:Наука, 1976. – 224 с.

[3]Бондарев В.П. Геология. Курслекций: Учебное пособие для студентов учреждений среднего профессиональногообразования. – М.: Форум: Инфра М., 2002. – 224 с.

[4]Горошков И.Ф. Гидрологическиерасчёты. – Л.: Гидрометеоиздат, 1979. – 432 с.

[5]Черданцев В.А., Пивон Ю.И.Методические указания по дисциплине: «Гидрология». – Новосибирск: НГАЭиУ, 2004,112 с.

[6]Справочное руководствогидрогеолога. В 2 томах. Под ред. В.П. Якуцени. – Л.: Недра, 1967. – Т.1. –592с.

еще рефераты
Еще работы по геологии