Тема 3: Гідрогеологічні основи сільськогосподарських меліорацій
Предмет та задачі гідрогеології.
Джерела формування підземних вод.
Класифікація підземних вод.
Рух підгрунтових вод.
Запаси підгрунтових вод в Україні.
Предмет та задачі гідрогеології
Гідрогеологія – наука, що вивчає фізичні та хімічні властивості підземних вод, їх походження та умови залягання; закони руху; процеси взаємодії підземних вод з гірськими породами.
Об’єкт вивчення гідрогеології - підземні води.
За запасами прісної води на суходолі 1місце належить підземним водам. За підрахунками їх кількість сягає (1 • 1024), що становить 7% маси гідросфери.
Величезні водоносні системи й басейни знайдені в найсухіших місцях планети. В пустелях Казахстану запаси прісної води такі ж, як і в озері Балхаш або в Аральському морі. В пустелі Сахара виявлено 10 басейнів підземних вод (особливо багато таких басейнів у районах залягання осадових морських порід, де спостерігається чергування водотривких і водоносних шарів).
Значення підземних вод надзвичайно велике, вони використовуються людиною для питного і господарсько-технічного водопостачання. Особливо важливу роль підземні води відіграють у напівзасушливих та посушливих регіонах.
Результати гідрогеологічних досліджень використовуються:
при проектуванні раціонального водопостачання міст, промислових та с.-г. об’єктів господарювання;
в інженерній практиці;
в гідротехнічному будівництві;
при проектуванні місце розташування та оптимальних параметрів осушувальних та зрошувальних систем (відстані між каналами, дрожами)
при будівництві інженерних протиерозійних споруд.
Джерела формування підземних вод та їх значення в народному господарстві
Різні припущення про походження підземних вод пропонувалися ще в давні часи. Вперше теорія про утворення підземних вод за рахунок просочування атмосферних опадів (інфільтраційна) була запропонована в 1 столітті до н.е. Згодом була забута і відновлена лише у 17 столітті. Довгий час її вважали єдино правильною.
У 1877 р. Німецький гідролог О.Фольгер виступив із спростуванням інфільтраційної теорії і висунув нову, так звану конденсаційну теорію походження підземних вод. Він твердив, що підземні води утворюються в основному за рахунок проникнення повітря в пори гірських порід і наступною конденсацією наявних в ньому водяних парів при охолодженні.
Проти конденсаційної теорії було висунуто багато заперечень і вона не дістала визнання.
Пізніше, на початку 20 століття російський вчений А.Ф.Лебедєв на основі своїх експериментальних досліджень довів можливість конденсації водяних парів повітря в порах гірських порід. Але на відміну від Фольгера, Лебедєв стверджував, що в породу проникає не повітря, а тільки водяні пари, що містяться в ньому і конденсується за певних температурних умов. Лебедєв пояснював цей процес різницею пружності водяних парів атмосферного та ґрунтового повітря. Водяні пари переміщуються із простору з більшою пружністю (з більш високою t0) в простір з меншою пружністю (з більш низькою t0).
Проте Лебедєв не вважав конденсаційний шлях утворення підземних вод єдиним та визначальним.
На сьогоднішній день, наукова думка стверджує, що процеси інфільтрації та конденсації відбуваються одночасно, накладаючись один на одній.
Нині, можна вважати встановленим, що основний вид живлення підземних вод (джерело формування) це інфільтрація – просочування атмосферних опадів та поверхневого стоку в земну товщу. Частина ж підземних вод утворюється шляхом – конденсації водяних парів у ґрунтовій товщі (лат. сondecatio – згущення)
За експериментальними даними В.Ф.Шебеко середньомісячна конденсація за теплий період (травень – вересень) на освоєному болоті становить 45мм, на не осушуваному 14 мм.
Частина опадів, яка поглинається грунтом і просочується в більш глибокі шари ґрунту називається інфільтрованими.
Коефіцієнт інфільтрації:
Кінф. =  • 100, %
Апогл. – кількість поглинутих грунтом опадів, мм
А – сума опадів за певний період, м
Фактори впливу на показники інфільтрації:
фізичні властивості ґрунту (мех.. склад, структурність);
рельєф (наявність ярів, балок);
рослинність;
обробіток ґрунту;
інтенсивність випадання атмосферних опадів.
Третім джерелом формування підземних вод є фізико-хімічні процеси у земній товщі. У глибинних шарах земної кори підземні води часто мають високу t0 і містять рідкі мінеральні сполуки та гази.
У 1902 р. австрійський геолог Е.Зюсс висловив гіпотезу про утворення цих вод в результаті виділення з магми водню (Н) і дальшого його поєднання з киснем (О2) (утворення шляхом конденсації водяних парів, що виділились з магми), таким шляхом утворюються ювенільні води.
Ювенільні (незаймані) – глибинні земні води, що утворилися внаслідок фізико-хімічних процесів у земній товщі, знаходяться на глибині сотень тисяч метрів, обмежені водонепроникними шарами. Вперше беруть участь у кругообігу води.
Класифікація підземних вод
Багато дослідників намагалось створити докладну класифікацію підгрунтових вод. Однак через неможливість об’єднати всі характеристики в одну класифікацію підземні води поділяють за окремими ознаками:
За літологічним складом породи:
- води піщаників;
- води вапняків;
- води торфовищ.
За гідравлічними властивостями:
- безнапірні;
- напірні.
За ступенем мінералізації:
- прісні;
- солонуваті 1-3 г/л;
- солоні 3-35 г/л;
- розсоли більше 35 г/л.
За температурою (від глибини залягання):
- холодні 0-200 С
- субтермальні 20-370С
- термальні 37-1000С дуже гарячі вище 42 гарячі 37-42
- перегріті 100-3740С
Вода при t понад 3740С знаходиться у надкритичному стані (вибухова речовина). Температура має істотне значення при використанні води для пиття і зрошення. Добре заспокоює спрагу і діє освіжаюче вода, що має температуру 8-120. При використанні ПВ для зрошення слід дати їй нагрітися.
За умовами залягання
Рис. 1 Схема залягання водоносних горизонтів:
1— область живлення; 2 — водотривкі шари; 3 — водоносні горизонти;
4 — міжпластові напірні води ; 5 — між пластові ненапірні води ;
6 —грунтові води; 7 — верховодка; .8—колодязі.
В зоні аерації (безнапірні підземні води) зона аерації – характеризується тісним зв’язком з атмосферою, через неї просочуються атмосферні опади
Верховодка – шар гравітаційної води, що розміщується в зоні аерації і має обмежене поширення (найближче до земної поверхні). Потужність верховодки незначна, звичайно не більше 1-2 м. Залягає верховодка на невеликих прошарках і лінзах мало проникних або непроникних порід, наприклад суглинків моренного та ілювіального походження).
Для верховодки характерні сезонні коливання рівня залежно від кількості атмосферних опадів, випаровування та інших факторів. У посушливий період верховодка часто зникає, а взимку нерідко промерзає. За хімічним складом води верховодки звичайно мало мінералізовані, але часто бувають забруднені.
Значення верховодки. Незначні запаси та легка забруднюваність роблять неможливим використання її для постійного водопостачання значних об’єктів. Як правило ці води використовують для водопостачання окремих господарств у сільській місцевості.
Верховодка розміщується близько до поверхні землі, тому є причиною пере зволоження ґрунтів. 
Рис. 2 Схема залягання верховодки:
1-водотривке ложе; 2 — рівень ґрунтових вод; 3 — лінза моренних глин: 4 — шар верховодки.
Підгрунтові води – це постійний в часі і значний за площею поширення горизонт (шар) гравітаційної води, що залягає на першому від поверхні водотриві. Вони звичайно безнапірні, але місцями, при заляганні під шаром відносно непроникних порід, можуть мати місцевий напір.
Глибина залягання підгрунтових вод може бути різною: від часток метра до кількох десятків метрів іноді ж вони можуть виступати на поверхню землі, спричиняючи заболочення території.
Значення підґрунтової води.Підгрунтові води залягають близько до поверхні, тому вони доступні для використання. Найбільш поширена експлуатація їх неглибокими колодязями в сільських місцевостях. Але в той же час ці води легко забруднюються внаслідок просочування поверхневих вод. Вода в криницях забруднена нітратами – “Україна ходить під себе”
Підгрунтові води нерідко викликають надмірне зволоження кореневмісного шару ґрунтів. Причина цього близьке залягання їх до поверхні землі. Часом підгрунтові води ускладнюють і здорожують будівельні роботи.
Міжпластові ненапірні підземні води за умовами залягання характеризуються наявністю суцільного водотривкого перекриття водоносного горизонту і вільною поверхнею. В природі зустрічаються досить рідко і найчастіше поширені в нижній частині потужних піщаних пластів. За умовами динаміки міжпластові ненапірні ПВ подібні до ґрунтових вод, проте режим їх стійкіший. Водотривке перекриття забезпечує їх захист від забруднення та впливу атмосферних опадів
Між пластові напірні підземні води
Рис 3. Умови залягання артезіанських водоносних горизонтів:
а- 'моноклінальне залягання; б — двоповерхове мульдоподібне розташування артезіанських водоносних горизонтів; 1, 2, 3 — водоносні горизонти; 4, 5,6 – п’єзометричні лінії напірних горизонтів: Н1- Н2. Н3 – напори
Артезіанські води – це напірні води, що залягають на значній глибині між шарами водонепроникних порід. При розкритті буровими свердловинами (артезіанськими колодязями) вони піднімаються вище покрівлі водопроникного водоносного пласта і при достатній висоті напору виливаються на поверхню.
Водоносні пласти можуть бути складені пісками, вапняками, пісковими та іншими породами. Водоносний горизонт АА︱ і ВВ︱ (область живлення) виходить на денну поверхню. Через ці ділянки надходять атмосферні і поверхневі води, які живлять водоносний горизонт.
Рівень до якого вода піднімається у свердловині, що розкрила напірний водоносний горизонт, називається п’єзометричним рівнем.
Лінії, що з’єднують на карті точки з однаковими відмітками п’єзометричного рівня, називається гідроп’єзоізогіпси.
Артезіанські води дістали свою назву від старої латинської назви провінції Артуа у Франції (Артезія), де вони вперше були використані для водопостачання у 12 столітті. Найглибша артезіанська свердловина знаходиться в Австралії. ЇЇ глибина сягає 2 км.
Геологічні структури, де залягають артезіанські водоносні горизонти, називаються артезіанськими басейнами. Площа поширення АБ коливається від кількох десятків до сотень тисяч км2
Основні артезіанські басейни України
- Волино-Подільский артезіанський басейн (пн-зх України). Характеризується широким розповсюдженням слабо мінералізованих (до 1 г/л) прісних вод, гідрокарбонатно-кальцієвих вод тріщинного типу у відкладах крейди.
- Дніпровсько-Донецький артезіанський басейн розташований у пд частині Білорусі, на значній площі України та деяких областях Росії. Загальна площа басейну 350тис.км2. Напірні прісні (слабомінералізовані) води залягають у відкладах (головним чином пісках) юрської, крейдяної та нижньотретинної систем. Відрізняється поверховим розвитком водоносних горизонтів і комплексів, найбільше значення з яких для водопостачання мають четвертинні, палеогенові, крейдові та юрські.
- Причорноморський артезіанський басейн, підземні води якого знаходяться у відкладах антропогену, неогену, палеогену і крейди має складну гідрогеологічну структуру. Часто спостерігається формування солоних вод і розсолів (мінералізація понад 10—30 г/л). Води хлоридного складу з високим вмістом брому і йоду. Для господарсько-питного водопостачання найбільше використовують неогеновий горизонт.
Значення артезіанських вод
Режим АВ майже не змінюється. Продуктивність свердловин коливається в залежності від місцевих умов. Артезіанські води мають надзвичайне н/г значення. Їх використовують головним чином для водопостачання, тому що в гігієнічному відношенні вони найкращі. Відень стоїть на Дунаї , але споживає питну воду з свердловин, що розташовані за 100км в альпійських луках.
Діючим законодавством заборонено вживання прісних підземних вод не для пиття, однак у 30 містах України більше половини загальної кількості підземних вод все ще використовують для технічних потреб.
В Україні нараховується 110 тисяч свердловин
Рух підземних вод
Рух підземних вод в зоні насичення називається фільтрацією. Фільтрація відбувається під впливом різниці напорів, від місць з більш високим до місць з більш низьким напором.
Фільтрація води може відбуватись порами, тріщинами і пустотами.
У випадку пересування води в порах рух підземного потоку має, так званий ламінарний характер – частинки води рухаються паралельними струменями, без взаємного переміщення, без завихрень.
Ламінарна фільтрація підлягає закону Дарсі – основному закону фільтрації, який пов’язує швидкість фільтрації (V) з гідравлічним ухилом ( i )
Встановлений Дарсі у 1855 р. На основі дослідів з фільтрацією води через грунт, насипаний у трубу.
Закон Дарсі (лінійний закон фільтрації)
Швидкість переміщення води знаходиться у пропорційній (лінійній) залежності від гідравлічного ухилу
V = Kф • і, м/добу
Kф - коефіцієнт фільтрації;
і – гідравлічний ухил – зниження напору віднесене до одиницю шляху фільтрації;
і = 
h – різниця рівнів (напору) води на початку та вкінці фільтраційного потоку;
l – довжина шляху фільтрації води, м
h = h1 – h2
Закон Дарсі лежить в основі фільтраційних розрахунків при визначенні потоку води до вертикальних свердловин, дрен, осушувальних каналів, розрахунків стійкості дамб та земляних плотин, втрат води з водосховищ та зрошувальних каналів, гідравлічних розрахунків бетонних плотин та інших ГТС.
Нелінійний закон фільтрації
Рух води у великих пустотах і тріщинах гірських порід за своїм характером нагадує рух води в каналах і трубах. Цей вид руху називається турбулентним; відрізняється великими швидкостями, вихроподібністю, переміщуванням окремих струменів.
Закон турбулентного руху виражається формулою Шезі
V = С , м/сек.
V – швидкість, м/сек.
R - гідравлічний радіус, м
S – площа поперечного перерізу, м2;
P – змочений периметр, м (сума всіх сторін каналу, що змочуються водою).
і - коефіцієнт Шезі
С – швидкісний коефіцієнт
Запаси підгрунтових вод в Україні
За даними Мін геології України запаси ПВ становлять 21,4 млрд м3/рік (58,8 млн. м3/добу)
Природні ресурси підземних вод України оцінюють у 22,5 км3/рік, а експлуатаційні їх запаси становлять 5,7 км3/рік
[М.І.Ромащенко, С.А.Балюк “Зрошення земель в Україні. Стан та шляхи поліпшення”- К.: Світ, 200-114С]
Розподіл запасів підземних вод в Україні дуже нерівномірний.
Найбільші запаси ПВ в північно-західній частині, 75% всіх ПВ. Найменш забезпечені південь України та райони Донбасу.
Найбільші запаси ПВ зосереджені, млрд.. м3/рік в Чернігівській (3), Київській (1,5), Полтавській (1,4), Львівській та Харківській (по 1,3) областях.
Поряд з цим Вінницька, Житомирська, Кіровоградська, Миколаївська, Одеська, Чернівецька області мають незначні запаси ПВ, вони не перевищують 0,5 млрд. м3/рік.
Забруднення підземних вод становить 6% розвіданих запасів, 24% з них знаходяться під загрозою якісного виснаження.
У Степовому Криму підземні води забруднені на 38 % площі.
 |
Скачать 229 Kb.