Грунтовые воды и их образование

Подземные воды – это воды в толще горных пород земной коры в жидком, твердом или парообразном состоянии. Подземные воды 1-го от поверхности земли безнапорного водоносного горизонта называются грунтовыми водами. Грунтовые воды имеют свободную водную поверхность. Атмосферные осадки или поверхностные воды, просачиваясь в поры и пустоты горных пород, достигают на какой-то глубине водоупорный слой, где начинают скапливаться, образуя грунтовые воды. Расстояние от поверхности грунтовых вод до водоупорного слоя называется мощностью водоносного горизонта. Уровень (глубина) их стояния характеризует степень осушения торфяной залежи, а это определяет проходимость торфодобывающих машин и интенсивность сушки торфа на поверхности залежи.

Временный сбор воды над прерывистым водоупорным горизонтом называется верховодкой.

Верховодка имеет небольшую мощность (не более 1–2 м) и ограниченное распространение. Чаще наблюдаются на водораздельных равнинных участках и речных террасах, особенно в понижениях микрорельефа и западинах, задерживающих талые снеговые и дождевые осадки. На склонах отсутствует.

Уровень верховодки в естественном состоянии резко колеблется в зависимости от климатических факторов. Верховодка характеризуется сезонностью – в засушливое время года исчезает, в периоды дождей и снеготаяния появляется. С речными водами верховодка, как правило, не имеет гидравлической связи.

Грунтовые воды образуются главным образом в результате просачивания до водоупорного слоя выпавших на поверхность грунта осадков и конденсации в грунте водяного пара. Явление просачивания воды за счет силы тяжести через грунт называется инфильтрацией, а движение жидкости в пористой среде называется фильтрацией. Ее частным случаем является движение грунтовых вод. Грунтовые воды образуются также за счет инфильтрации вод рек, озер, водохранилищ, а также за счет подтока воды из артезианских бассейнов. Между поверхностными и грунтовыми водами существует постоянная гидравлическая связь.

Сверху грунтовые воды обычно не перекрыты водонепроницаемыми породами, а водовмещающий пласт они заполняют не на всю глубину.

Поверхность грунтовых вод является свободной, не напорной и называется уровнем грунтовых вод или зеркалом грунтовых вод (депрессионной поверхностью).

Грунтовые воды, у которых зеркало представляет собой горизонтальную поверхность, называются бассейном грунтовых вод. Бассейны грунтовых вод образуются чаще всего при наличии в водоупорном ложе котловины (мульды).

Глубина залегания грунтовых вод бывает самой различной и зависит от климатических и грунтовых условий, рельефа местности и геологического строения. На возвышенных местах расстояние от поверхности до грунтовых вод может достигать десятков метров, на низких местах – несколько сантиметров или метров, на болотах может быть выше поверхности торфяной залежи.

Характер водоупорного слоя определяет состояние грунтовых вод. При наклонном положении водоупора будет осуществляться непрерывное движение грунтовой воды вниз по уклону с образованием грунтового потока.

Рис. 2.1. Схема движения грунтового потока при наклонном положении водоупорного слоя

Если водоупорный слой имеет замкнутое понижение, то в этом случае может образоваться грунтовый бассейн (рис.2.2.).

Рис. 2.2. Образование грунтового бассейна при замкнутом понижении водоупорного горизонта.

1–2 – область питания артезианских вод (это подземные воды, заключенные между водоупорными слоями и находящиеся под гидростатическим давлением. Вскрытые скважинами артезианские воды поднимаются выше уровня водоносного пласта, при большом напоре изливаются на поверхность или фонтанируют); 3– верховодка; 4 – грунтовые воды;5 – пьезометрическая линия;6 – нисходящий источник;7 – река; 8, 10 – область разгрузки напорных вод; 9 – восходящий источник; 11– межпластовые напорные (артезианские) воды; 12 – межпластовые безнапорные воды; 13 – водопроницаемые грунты;14 – водоупорные породы; А–Б – артезианские скважины.

При гидрогеологических исследованиях важной задачей является определение характера питания водоносного горизонта, особенно при осушении месторождений полезного ископаемого, так как выбор наиболее рациональных способов осушения в значительной степени определяется условиями питания водоносных горизонтов, подлежащих осушению.

Межпластовые подземные воды приурочены к водоносному горизонту, подстилаемому и перекрываемому водоупорными породами. Водонепроницаемые породы, подстилающие водоносный горизонт, называют водоупорным ложем, а водоупорные породы, перекрывающие водоносный слой, – водоупорной кровлей. Межпластовые воды могут быть безнапорными и напорными. Межпластовые безнапорные воды встречаются сравнительно редко.

Межпластовые воды становятся напорными, когда все поры и пустоты водоносного пласта заполнены и вода в водоносном горизонте находится под гидростатическим давлением. Напорные подземные воды, приуроченные к водоносным горизонтам, залегающим обычно на значительной глубине в пределах крупных структур мульдообразного строения, называются артезианскими.

При вскрытии скважиной водоносного пласта с напорной водой уровень воды в ней поднимается выше водоупорной кровли водоносного горизонта. Линия N – N¢, определяющая положение напорного уровня в водоносном пласте, называется гидростатическим, а чаще пьезометрическим уровнем артезианского пласта (рис. 2.2).

Между горными породами и содержащейся в них водой существует тесное физико-химическое взаимодействие. Вода, находящаяся в грунте, в том числе и в торфе, может находиться в различном состоянии: парообразном, гигроскопическом, пленочном, гравитационном, твердом и иметь различные формы связи с частичками грунта (т.е. может находиться в связанном и свободном состоянии). Связанной называется вода, которая активно взаимодействует с частичками грунта и не способна перемещаться под действием силы тяжести (пленочная, гигроскопическая, химически связанная и др.)

Парообразная вода содержится в воздухе, заполняющем пространство между частицами грунта, поры и пустоты. Ее количество зависит от влажности и температуры грунта и прилегающего к нему слоя атмосферы. Между верхним слоем земли и приземным слоем атмосферы происходит непрерывный процесс воздухообмена с большим или меньшим содержанием паров воды.

Химически связанная вода подразделяется на конструкционную, которая принимает участие в строении кристаллических решеток минералов и кристаллизационную, аналогично, например, воде кристаллогидрата гипса CaSO4×2H2O. Содержание этой воды в породах незначительно, она выделяется при больших (до 450 – 500°С) температурах, вполне определенных для каждого минерала.

Гигроскопическая вода (физически связанная) прочно связана с частицами грунта и удерживается в виде отдельных молекул молекулярными силами на поверхности частиц или стенок пор. Чем меньше частицы грунта, тем больше общая поверхность всех частиц, а следовательно, и больше гигроскопичность грунта. Так, глинистые грунты обладают большей гигроскопичностью, чем более крупные по механическому составу пески.

Пленочная вода (рыхлосвязанная) в виде тонкой пленки толщиной 0,0001 мм окружает частицы грунта создавая полимолекулярный слой ориентированных дипольных молекул воды, который удерживается силами, значительно меньшими, чем связанная вода. Под действием силы тяжести она может передвигаться вниз, а под действием сил молекулярного притяжения перемещаться от мест с большей толщиной пленки к местам с меньшей.

Гравитационная вода – это свободная, не связанная с частицами грунта вода, которой заполнены поры, капилляры и пустоты грунта. Эта категория влаги под действием силы тяжести может передвигаться вниз и вытекать из грунта, а под действием капиллярных сил подниматься по узким порам (капиллярам) вверх. Поэтому все осушительные мероприятия при осушении торфяных месторождений направлены на удаление свободной гравитационной воды. Вода, находящаяся в торфе и других минеральных грунтах в иных формах связи, не поддается удалению после строительства осушительных систем.

Существуют различные классификации форм связи воды в различных дисперсных системах, в том числе и в торфе. Одной из первых была классификация А.В. Думанского (1936 – 1937 гг.). По значению давления, необходимого для отжатия воды из торфа, он выделил следующие категории влаги: химически и физически связанную, осмотическую и свободную. В настоящее время общепризнанной является классификации форм связи воды в различных дисперсных системах П.А. Ребиндера, построенная по энергии связи влаги с материалом [5]. Согласно этой классификации вода в торфе различается на химически и физико-химическую связанную воду, а также воду энтропийной связи (осмотическую) и механического удерживания.

Химически связанная вода входит в состав кристаллогидратов минеральной части торфа. Воды этой категории в торфе очень мало (0,04 кг/кг) и она практически не удаляется даже при термостатной сушке.

Физико-химическую связанная вода включает в себя воду моно- и полимолекулярной сорбций. Содержание физико-химически связанной воды составляет примерно 0,5 кг/кг.

Энтропийно-связанная вода (осмотическая) удерживается в торфе осмотическими силами внутри ассоциатов. Осмотическими ячейками в торфе являются клетки растений торфообразователей, другие полости, в которых находится раствор органически и минеральных веществ. В отличие от минеральных грунтов в торфе высокое содержание частиц растительного происхождения и гидрофильных коллоидов, что приводит к удерживанию им наряду с осмотической значительного количества воды механической связи. К последней относятся капиллярная, внутриклеточная, иммобилизованная и структурнозахваченная вода. Механическая связь не является специфической, так как удерживаемая ею вода мало отличается по своим свойствам от свободной. Большинство технологических процессов непосредственно связано с удалением из торфа именно этой воды.

К внутриклеточной относят воду, которая заполняет ячейки клеток и растительных остатков. Ее содержание зависит от количества неразложившихся растительных остатков в торф и его ботанического состава. Наибольшее количество этой категории воды содержит обычно магелланикум-торф. С увеличением степени разложения количество внутриклеточной воды уменьшается за счет разрушения растительных остатков в процессе гумификации торфа.

Вода, находящаяся внутри агрегатов, относится к иммобилизованной. Количество иммобилизованной и осмотической воды зависит от содержания в торфе гидрофильных коллоидов.

Структурнозахваченной является, в основном, вода тупиковых и замкнутых пор и других обособленных и недоступных для транзитного потока воды ячеек в макроструктуре торфа, образованной в результате переплетения растительных остатков.

Следует отметить, что между отдельными категориями влаги в торфе нет резких границ, так как особую трудность представляет экспериментальное определение и расчет слабых форм связи воды: осмотической, капиллярной, внутриклеточной, иммобилизованной, структурнозахваченной, удаление которых составляет основу ряда технологических процессов торфяного производства.