Определение жесткости воды

Если воды залегают в водоносных пластах, подстилаемых и перекрываемых водонепроницаемыми породами, но не насыщают водоносные пласты полностью, то такие воды называют межпластовыми безнапорными.

В классификациях других авторов подземные воды также подразделяются по характеру водосодержащих пород и условиям залегания, температуре, химическому составу и степени минерализации, геолого-стратиграфической приуроченности водоносных горизонтов и т. п.

При классификации подземных вод следует учитывать размеры, форму и происхождение пустот в горных породах, в которых содержатся гравитационные подземные воды. По этому признаку воды могут быть поровыми, трещинными и карстовыми.

Поровые воды содержатся обычно в рыхлых или связанных осадочных породах (песке, гравии, галечнике, суглинке, лессе и др.), слабоцементированных обломочных породах (пористом песчанике, конгломерате, брекчии и др.).

Трещинные воды приурочены к трещинам различного происхождения в магматических, метаморфических и некоторых осадочных породах (трещиноватых опоках, песчаниках, брекчиях с плотным цементом и др.). Карстовые воды содержатся в растворимых в водах породах.

Таким образом, по условиям залегания различают также воды:

1) поверхностных  поровых отложений;

2) пластовых, движущихся  в пластах осадочных пород  (они могут также передвигаться по порам и трещинам):

3) тектонических трещин  и трещин выветривания (трещинного  типа);

4) карстового типа, движущиеся  по трещинам и пустотам закарстованных  пород.

По  температуре   (в °С)   подземные   воды   подразделяют,   по О. А. Алекину:

1) на весьма  холодные: ниже 4;

2) холодные: 4-20:

3) теплые: 20-37;

4) горячие: 37-42;

5) очень горячие: 42-100:

6) исключительно  горячие или перегретые (термы): свыше  100.

Иногда отдельным водоносным горизонтам присваивают геолого-стратиграфические наименования. Так, водоносные горизонты известняков среднего карбона в Московском бассейне называют московским водоносным горизонтом, водоносный горизонт в песках сеноманского яруса верхнего мела - сеноманским водоносным горизонтом и т. д.

Таким образом, основные особенности подземных  вод - условия питания, гидравлические свойства, закономерности движения, температура, газовый и химический состав - обусловлены нахождением вод в соответствующих географических и вертикальных зонах, т. е. закономерности их существования зависят от характера рельефа, климатических особенностей, геологического строения, тектоники, литологических и геоморфологических условий.

Рассмотрим  подробнее некоторые типы вод.

Почвенные воды существуют в породах, у поверхности земли в виде связанной (гигроскопической и пленочной) и капиллярно-подвешенной воды. Эти воды образуются за счет инфильтрации атмосферных осадков, конденсации паров, поливных и других вод. играют очень важную роль в жизнедеятельности растений и влияют на инженерные сооружения. Основной формой их передвижения в зоне аэрации является влагоперенос.

Верховодка представляет собой временный водоносный горизонт. Она формируется в зоне аэрации выше водоупорных пород и имеет сезонный характер. Время ее существования зависит от размеров водоупорной толщи и условий питания. Воды верховодки изменчивы по качеству и подвержены загрязнению. В пределах городов, крупных промышленных предприятий, где наблюдаются значительные утечки воды, возникают техногенные верховодки, вызывающие заболачивание территорий.

Верховодки  имеют свободный уровень, капиллярную кайму, незначительную мощность, расходуются на испарение и питание грунтовых вод, формируются на плоских водоразделах, под депрессиями и понижениями. Режим их весьма изменчив и зависит от климатических факторов.

Грунтовые воды - это подземные воды первого от поверхности постоянно существующего водоносного горизонта, залегающего на выдержанной по площади и мощности водонепроницаемой толще пород. В зависимости от геоморфологических и геолого-гидрогеологических условий могут формироваться грунтовые потоки, грунтовые бассейны или их сочетание.

Верховодка

Грунтовые потоки характеризуются движением воды под действием силы тяжести в направлении уклона их зеркала. Грунтовые бассейны имеют горизонтальную поверхность, обычно приурочены к депрессиям и характеризуются отсутствием движения воды.

К особенностям грунтовых вод следует отнести  следующие:

1) это воды со свободной поверхностью, т. е. при вскрытии их уровень устанавливается на той же глубине, на какой он был встречен (давление на поверхность грунтовых вод равно атмосферному);

2) питание их  осуществляется за счет инфильтрации  атмосферных осадков, фильтрации поверхностных вод и вод верховодки, причем конденсации влаги в зоне аэрации, области питания и распространения грунтовых вод совпадают;

3) неглубокое  залегание грунтовых вод обусловливает  их вскрытие оврагами, балками,  долинами рек и другими эрозионными формами, где и происходит разгрузка (дренирование) вод в виде источников, высачивания;

4) близкое залегание  к поверхности земли определяет  сильное воздействие на них поверхностных факторов, вызывающих резкие изменения во времени уровня, дебита, химического состава, температуры и других характеристик вод;

5) условия питания  и интенсивное движение к местам  разгрузки обусловливают малую минерализацию грунтовых вод (при достаточно влажном климате):

6) выше поверхности  грунтовых вод расположена кайма  капиллярных вод, на верхней границе которой давление меньше атмосферного:

7) если в пределах  поверхности грунтовых вод встречаются  линзы водонепроницаемых пород, то в этом месте возникает местный напор, т. е. уровень грунтовых вод при вскрытии поднимается выше подошвы этой линзы;

8) грунтовые  воды обычно гидравлически связаны  либо с поверхностными водоемами (озерами, морями, водохранилищами) или водотоками (реками, каналами), либо питают водоемы и водотоки, либо сами получают от них питание;

9) при колебаниях  уровня грунтовых вод происходит  непосредственное осушение верхней части водоносного горизонта н уменьшение его мощности или насыщение пород и увеличение мощности водоносного горизонта (при подъеме уровня);

10) грунтовые  воды приурочены преимущественно  к четвертичным отложениям, имеют широкое, почти повсеместное распространение (за исключением участков, сложенных с поверхности водонепроницаемыми породами) и существуют в районе длительное время.

Грунтовые воды могут быть поровыми, карстовыми и трещинными.

Поверхность грунтовых  вод называется зеркалом, а расстояние от зеркала до водоупора составляет мощность горизонта. Зеркало (поверхность) грунтовых вод наклонено в сторону места разгрузки, и чем большее сопротивление испытывает поток, тем больше кривизна зеркала. Поверхность потока в разрезе образует депрессионную кривую (параболическую, выпуклую, вогнутую). Чем больше уклон поверхности грунтовых вод, тем больше скорость движения потока.

По-разному проявляется связь грунтовых вод с поверхностными водами (реками, озерами). Обычно грунтовые воды питают поверхностные водотоки и водоемы постоянно или временно. При глубоком залегании грунтовых вод или при подъемах уровня воды в реках и водохранилищах происходит инфильтрация поверхностных вод в грунтовые воды.

В основном грунтовые  воды получают питание через зону аэрации за счет инфильтрации атмосферных  осадков н поглощения поверхностных  вод. Здесь наблюдаются максимальные уровни, а на участках разгрузки (долины рек, балки) - минимальные. В целом же поверхность грунтовых вод повторяет в сглаженном виде поверхность рельефа.

Схемa взаимосвязи грунтовых и поверхностных вод: а - грунтовые воды питают реку, 6 - река топает грунтовые воды, в - грунтовые воды с одного берега (правого) питают реку, с другого берега (левого) река питает грунтовые воды, г - гидравлическая связь между грунтовыми водами и рекой отсутствует; 1 - гидроизогипсы; 2-уровень грунтовых вод; 3 - водопроницаемые породы; 4 - водонепроницаемые породы; 1-1,11-11,111-Ш, W-IV- линии вертикального разреза

Грунтовые воды могут получать питание и за счет артезианских вод при наличии  «окон» в водоупорных породах  и при условии превышения пьезометрического уровня над уровнем грунтовых вод.

Изменения уровня, температуры, химического состава и других особенностей грунтовых вод входят в понятие их режима. На режим грунтовых вод влияют как естественные факторы (климат, рельеф, состав пород и др.), так и искусственные, связанные с инженерной деятельностью человека (орошение, осушение, разработка месторождений полезных ископаемых, отбор подземных вод, возведение различных инженерных сооружений и т. я).

Межпластовые (пластовые) воды - это подземные воды, содержащиеся в каких-либо горных породах, ограниченных сверху и снизу водонепроницаемыми осадочными породами. Если водосодержащие породы лишь частично насыщены водой и уровень воды при вскрытии их буровыми скважинами, шурфами или колодцами устанавливается ниже подошвы верхней водоупорной породы, образуются межпластовые безнапорные воды. По гидравлическим признакам и наличию капиллярной каймы они аналогичны грунтовым, но области их питания и распространения не совпадают - сверху они покрыты водонепроницаемыми породами.

Обычно водоносные породы между двумя водонепроницаемыми пластами полностью насыщены водой. Вода вскрывается скважинами и другими выработками под подошвой верхней водонепроницаемой породы, после чего поднимается в этих выработках на различную высоту. Такие воды называются межпластовыми, или пластовыми напорными.

Иногда вода может изливаться (или фонтанировать) из вскрывших эти воды скважин. Уровень  воды в этом случае устанавливается  выше поверхности земли. Напорные воды, распространенные в осадочных породах крупных тектонических структур (синеклиз, синклиналей или моноклиналей), называются артезианскими. Это название они получили от названия провинции Артуа (древнее латинское название - Артезия) в южной части Франции, где впервые в Европе в 1126 г. были вскрыты напорные воды, которые изливались на поверхность земли. Геологическая (тектоническая) структура, к которой приурочены горизонты напорных межпластовых вод. определяет артезианский бассейн.

Артезианские  бассейны формируются в пределах платформ, межгорных впадин, краевых прогибов. :>гульд и других структур. В зависимости от размеров выделяют крупные артезианские бассейны (более 100 ООО км"), средние (100 000-10 000 км²) и малые, или простые (менее 10 000 км²).

Среди природных  емкостей артезианских вод встречаются  артезианские склоны- ассиметричные бассейны артезианских вод с моноклинальным залеганием водоносных горизонтов, выклинивающихся или фациально замещаемых слабопроницаемыми породами. Артезианские склоны характерны для краевых частей предгорных, межгорных прогибов, склонов синеклиз и впадин платформ, моноклиналей. Обычно области питания и разгрузки в артезианских склонах располагаются в непосредственной близости друг от друга, область напора находится на абсолютных отметках, меньших, чем в области питания, и больших, чем в области разгрузки (Н_} > Н₂ > Н₃). По размерам артезианские склоны значительно меньше артезианских бассейнов и характеризуются наличием возвратно-поступательного движения подземных вод.

Для любого водоносного  горизонта межпластовых вод. в том  числе и артезианских, выделяются три области: питания, распространения (напора для напорных вод) и разгрузки.

Область питания - это площадь водоносных пород, залегающих на поверхности земли на наиболее высоких гипсометрических отметках. Здесь происходит питание артезианских вод за счет атмосферных осадков, поверхностных водоемов и других источников. Питание вод может осуществляться путем перетока вод из одного горизонта в другой при разности их напоров или соседних бассейнов.

Область разгрузки - это территория, где происходит открытый или закрытый выход артезианских вод на поверхность земли, в долины рек, морей и т. д. К открытым очагам разгрузки относят эрозионные (реки, впадины), барьеры (выступы, складки непроницаемых вод), структурно-тектонические (тектонические разломы, антиклинали в складчатых областях). К скрытым очагам разгрузки можно отнести выход вод под аллювиальными отложениями, на дне морей (субмаринные источники), сквозные талики в многолетнемерзлотных породах и т. д. К искусственным очагам разгрузки относят водозаборы артезианских вод.

Область распространения напора - это площадь развития артезианского бассейна, где проявляется напорность подземных вод. При наличии нескольких артезианских горизонтов их пьезометрические поверхности совпадают лишь при гидравлической связи между ними или совпадении гипсометрического положения областей питания и разгрузки. Чаще в природе наблюдается несовпадение этих поверхностей, причем при прямом рельефе нижние горизонты имеют больший напор, чем верхние, а при обращенном рельефе - наоборот.