Какой процент грунтовых вод на тонну

Что такое подземные воды

Подземные воды — это расположенные под земной поверхностью в верхней части земной коры водяные ресурсы, занимающие в геологических пластах и почвах пустоты. Запасы подземных вод постоянно пополняются за счет дождей, талого снега и прочей воды, которая проникает сквозь песок, дорожные трещины и почву, песок.

Физическое состояние подземных вод может быть:

• жидким;
• твердым;
• газообразным.

Под землей вода может переходить из одного состояния в другое и принимает участие в общем круговороте. Описанием и исследованием того, каков механизм подобных превращений жидкости занимается гидрогеология.

Выделяется три основных зоны залегания подземных вод:

• верхняя или свободного обмена;
• средняя или замедленного водообмена;
• нижняя, трудно поддающаяся превращению.

20 % мировых запасов пресной воды, а также около 1% от всей гидросферы Земли, с учетом ледников и всей океанической воды, составляют подземные воды. География подземных вод обширна. Если посмотреть на карту распределения объемов подземных вод в РФ, крупнейшим источником является Западно-Сибирский артезианский бассейн, имеющий площадь около трех миллионов км², водоносные слои в котором образовались еще в мезозойской эре. Подземные воды залегают на всей территории РФ, являясь важнейшим источником питания рек. Основная их часть напрямую связана с речным стоком и котловинами озер. Объем ресурсов подземных вод России составляет 787,5 км³/год, а статические запасы насчитывают порядка 28 тысяч км³.

Подземные воды играют важную роль в функционировании всего природного комплекса, так как:

• участвуют в гидрологическом цикле Земли;
• обеспечивают людей, животный и растительный мир влагой и питьевой водой;
• пополняют водоемы;
• выходят на поверхность в виде родников и источников, зачастую минеральных или горячих;
• растворяют различные вещества в породах и переносят их;
• служат для отопления зданий, теплиц и энергетических установок в виде водяного пара и горячей воды гейзеров;
• вымывают в растворимых горных породах пустоты и пещеры;
• могут послужить причиной селей и оползней.

Виды подземных вод

В соответствии с характеристиками подземные воды подразделяют на следующие виды:

• Капиллярная — вода, перемещающаяся под действием капиллярных сил по расщелинам и каналам. Она может быть: подвешенной, стыковой и поднятой. Поднятая вода располагается выше свободной и формирует капиллярную зону, что способствует засолению почв.
• Свободная — вода, находящаяся в полостях и трещинах горных пород и почв.
• Гигроскопическая — это вода, покрывающая минеральные частицы более толстой пленкой, при этом перемещается жидкость после перехода в газообразную форму.
• Лед — твердое состояние воды при низких температурах, представляющее собой большие скопления кристаллических частиц.
• Пленочная — такая вода обладает очень тонкой пленкой, обволакивающей минеральные частицы, и перемещается туда, где более тонкая пленка.
• Кристаллизационная — это вода, молекулы которой входят в минералы, удаляются при дегидратации либо переходят в другое состояние.

Объемы водных ресурсов, находящихся под землей, составляют порядка 60 миллионов км³ и учитываются как полезное ископаемое.

По условиям расположения подземные воды можно отобразить в виде следующего списка:

• почвенные;
• верховодка;
• грунтовые;
• артезианские;
• минеральные.

Почвенные воды располагаются под верхним слоем земной коры. Они заполняют трещины и поры и трещины, перемещаясь под действием силы тяжести. Для этого вида воды характерна небольшая глубина залегания, что позволяет ей пропитывать плодородный слой почв, распределяясь на большие площади. Восполнение происходит за счет дождевых вод через песок и грунт в процессе инфильтрационного просачивания. Это длительный процесс, в течение которого происходит насыщение воды органическими веществами.

Верховодка — это временная концентрация гравитационных вод в зонах аэрации пород и почв. В этом случае формирование подземных вод происходит за счет паводков, атмосферных осадков и таяния снегов.

Она может также образовываться как результат внутрипочвенных испарений из искусственных водоемов. Для водоснабжения верховодка обычно не используется и обладает следующими свойствами:

• сезонной неустойчивостью;
• ограниченным объемом расширения;
• резкими изменениями уровня.

Грунтовые — это воды водоносного горизонта, первого от поверхности земли. В основном они образуются просачиванием через почву после атмосферных осадков, а также из озер, рек и прочих водоемов.

Даже в условиях вечной мерзлоты за полярным кругом грунтовые воды подпитывают моря. Это безнапорная свободная вода, всегда остающаяся на уровне вскрытия. Грунтовые воды распространяются и подпитываются в одной области. Уровни воды сильно различаются в течение сезона в зависимости от температуры грунта и атмосферных осадков. Грунтовая вода необходима для народного хозяйства в качестве источника водоснабжения для населенных пунктов и промышленных предприятий.

Межпластовые или артезианские запасы подземных вод располагаются между верхними и нижними водоупорными слоями. Они отличаются отсутствием источников подпитки. Вода, находясь под давлением плотных слоев грунта, выходит на поверхность в виде родников и источников. Подобные подземные запасы глубокого залегания используются для обеспечения водой жилых, сельскохозяйственных и промышленных объектов. Межпластовые воды могут быть напорными и безнапорными.

Минеральные водяные месторождения отличаются постоянным химическим составом, который зависит от типа источника и формируется в течение нескольких лет под воздействием ряда факторов. Минеральные воды содержат особые биоактивные и органические вещества, вследствие чего обладают лечебными свойствами и часто используется в медицинских целях. Подобная вода добывается при помощи каптажей — комплекса инженерных сооружений.

Минеральная вода различается по:

• уровню минерализации;
• химическому составу;
• способу применения.

Подземные воды в разных районах планеты обладают неодинаковым химическим составом. В зависимости от того, сколько соли содержится в воде, выделяют:

• пресные подземные воды, где содержится менее одного грамма солей на литр объема;
• слабоминерализованные воды с содержанием не более 35 грамм солей на литр жидкости;
• минерализованные воды в составе которых порядка 50 грамм солей на один литр.

Классификация пресных подземных вод по степени общей жесткости отражена в следующей таблице:

Значение подземных вод

Подземные воды имеют большое значение для развития человеческого общества и используются в разных сферах жизни: как в быту, так и в промышленном производстве. В основном подземные источники используются для обеспечения питьевого водоснабжения. Это также постоянный источник питания для озер и рек. Подобные родники снабжают влагой и питательными веществами растения, принимают участие в формировании рельефа. В некоторых случаях, при близком нахождении от поверхности, они могут вызывать процессы заболачивания.

Значение подземных вод для человека:

• являются пресным источником водоснабжения;
• используются в сельском хозяйстве для орошения;
• необходимы для жизнедеятельности представителей флоры и фауны;
• широко применяются в промышленности: при производстве сахара и соли, различных напитков, химических веществ, в бумажной и текстильной промышленности;
• минеральные используются для лечебных целей в медицине;
• выступают источником химического сырья;
• высокотермальные воды с температурой от 50 до 100 градусов по Цельсию применяются для нужд отопления и горячего водоснабжения, например, в Новой Зеландии, Италии и Австралии.

Для правильного использования подземных вод в промышленности, необходимо знать их уровень жесткости, так как, например, повышенное содержание солей кальция и магния негативно воздействует на паровые котлы и иное промышленное оборудование.

Таким образом, значение подземных вод для природы и жизни человека велико. Запасы этого природного ресурса позволяют человечеству существовать и развиваться.

Что способствует возникновению подземных вод

Подземные воды имеют ряд отличий от поверхностных вод, но, как и поверхностные, являются составной частью непрерывного круговорота воды в природе. Большая часть подземных вод образуется в результате выпадения осадков и поверхностных стоков. Вода проникает в поверхность Земли после дождей, при таянии снегов и льда, через дно водоемов. Затем она проникает ниже поверхности в почву. При этом вода фильтруется, проходя многочисленные слои различных пород.

Через разные грунты просачивание воды происходит с разной скоростью. Чем пропускная способность породы ниже, тем больше над ней скапливается воды. Именно в таких местах происходит формирование водоносного слоя, или иначе — горизонта. Чаще всего подобных слоев образуется несколько.

Водоносный горизонт — это водопроницаемый пласт, насыщенный водой, которая находится в постоянном движении за счет гидравлической связи и перепада давления во всем пласте, который сверху и снизу ограничен водонепроницаемыми породами.

После насыщения почвенной зоны, вода просачивается еще ниже. Зона насыщения располагается в месте, где все пустоты заполнены водой. Также существует зона аэрации, в которой пространство частично занято воздухом, а частично — водой.

Подземные воды продолжают свой спуск ниже, пока не достигают горной породы, происходит глубокое просачивание. Здесь вода накапливается в трещинах и порах, образуя водоносный горизонт. Процесс осаждения, увеличивающий объемы подземных вод, называется подпиткой. В тропическом климате подобная подпитка происходит во время сезона дождей, а в умеренном — в зимний период. Обычно в водоносные горизонты попадает от 10 до 20 процентов выпадающих осадков.

В природе происходит постоянное движение подземных вод. Однако, по сравнению с поверхностными водами, это очень медленный процесс. Скорость передвижения зависит от объема водоносного горизонта и пропускной способности. Естественный отток грунтовых вод осуществляется через русла рек и источники, когда вблизи земной поверхности давление грунтовых вод выше атмосферного. Вблизи уровня грунтовых вод время круговорота воды составляет обычно меньше года, тогда как в глубоких водоносных горизонтах процесс циркуляции длится тысячи лет.

Выделяют следующие классы подземных вод:

• Инфильтрационные. Формируются из наземных атмосферных вод, их восполнение происходит за счет процесса инфильтрации, то есть просачивания вглубь земли дождевых и талых атмосферных осадков.
• Конденсационные. Формируются в результате процесса конденсации водяных паров воздуха, наблюдающегося в трещинах горных пород.
• Седиментогенные. Подземные соленые воды высокой минерализации, накапливающиеся в глубоких слоях осадочных горных пород.
• Магматогенные. Формируются прямо из магмы, их накопление наблюдается в процессе извержения вулканов, а также при выделении из магматических тел, находящихся на глубине.
• Метаморфогенные. Образуются путем метаморфизма минеральных масс, состоящих из кристаллизационной воды либо газо-жидких компонентов.

Примеры подземных вод

Выходы подземных вод весьма многочисленны и разнообразны. На земную поверхность могут проступать: грунтовые, трещинные, межпластовые, карстовые, межмерзлотные, надмерзлотные и подмерзлотные воды. Наибольшее количество воды создают источники, связанные с карстовыми и трещинными породами.

В зонах активного вулканизма подземные воды образуют:

• Береговые термы, отличающиеся высокой минерализацией, расположенные вблизи берегов океанов или морей.
• Фумаролы — вулканические воды в виде парогазовых струй либо выделений газов из трещин и каналов в жерлах, а также на внутренних стенках и внешних склонах вулканов.
• Гейзеры — это родники, с определенной периодичностью выбрасывающие пар и воду. Подобное извержение происходит в результате давления, после которого канал гейзера открывается, и вода с паром выходят в виде фонтана с температурой до 185°С.

На Земле не так много регионов с действующими гейзерами, это: Исландия, Камчатка, Северная Америка, Новая Зеландия и Япония.

Родники — это естественный выход подземных вод на земную поверхность.

В строении родников различают:

• жерло — место изливания воды;
• родниковую воронку, иногда образующую небольшой водоем, изливающийся дальше;
• ключ, дающий начало ручьям и рекам.

Родники принято классифицировать по ряду признаков.

Например, по гидравлическим особенностям разделяют: ненапорные родники, которые подпитываются грунтовыми водами, и выходящие на склонах напорные. Их можно наблюдать в зонах разломов, на склонах артезианских бассейнов, а также речных долин.

Подземные воды – это все воды, находящиеся под поверхностью Земли, где они занимают пустоты в почвах или геологических пластах. Они пополняются за счет дождя, тающего снега и другой воды, которая просачивается через почву, песок или трещины на дорогах.

Запасы

Подземные воды составляют около 20% от мировых запасов пресной воды, и около 1% от всей гидросферы Земли, включая всю океаническую воду и ледники.

Ученые говорят, что Земля может быть не единственной планетой в Солнечной системе, содержащей подземные воды. Возможно, они давно существуют на Марсе. Подземные воды могут также быть на Европе, шестом спутнике Юпитера.

Крупнейшим скоплением подземных вод является Западно-Сибирский артезианский бассейн, площадью 3 млн. км². Водоносные слои в нем начали образовываться еще в мезозойской эре.

Образование

Подземные воды отличаются от поверхностных вод, которые встречаются в больших объектах гидросферы, таких как океаны, моря, озера, или реки. Как поверхностные, так и подземные воды связаны через гидрологический цикл (непрерывный круговорот воды в природе).

Большинство подземных вод образуются от осадков. Они проникают ниже поверхности земли в почву. Когда почвенная зона становится насыщенной, вода просачивается ниже. Зона насыщения находится там, где все пустоты заполнены водой. Существует также зона аэрации, где пространство частично занято водой и частично воздухом.

Подземные воды продолжают спускаться ниже, пока, на некоторой глубине, они не достигнут горной породы. Вода накапливается в порах и трещинах, и образует водоносный горизонт, также называемый аквифером. Процесс осаждения, благодаря которому увеличиваются объемы подземных вод, известен как подпитка. В общем, подпитка происходит только во время сезона дождей в тропическом климате или зимой в умеренном климате. Как правило, от 10 до 20% осадков попадают в водоносные горизонты.

Подземные воды постоянно движутся. По сравнению с поверхностными водами это происходит очень медленно. Фактическая скорость движения зависит от пропускной способности и объема водоносного горизонта. Естественный отток грунтовых вод происходит через источники и русла рек, когда давление грунтовых вод выше атмосферного давления вблизи поверхности земли. Внутреннюю циркуляцию нелегко определить, но вблизи уровня грунтовых вод среднее время круговорота воды может составлять год или меньше, тогда как в глубоких водоносных горизонтах этот процесс длится тысячи лет.

Подземные воды играют жизненно важную роль в развитии засушливых и полузасушливых зон. Они способны поддерживать огромные сельскохозяйственные, и промышленные предприятия, которые иначе не могли бы существовать. Особенно удачным является то, что водоносные горизонты, предшествующие образованию пустынь, с течением времени не подвергаются воздействию засушливости.

Чтобы вывести грунтовые воды из-под земли на ее поверхность, ученые и инженеры используют специальные добывающие скважины.

Некоторые подземные воды растворяют вещества из горных пород и могут содержать следы древней морской воды. Однако большинство подземных вод не содержат патогенных организмов, и очистка для хозяйственного или промышленного использования не требуется. Кроме того, запасы подземных вод не подвержены серьезному воздействию коротких засух и доступны во многих областях, которые не имеют надежных источников поверхностных вод.

Проблемы

Ученые беспокоятся о проблемах, которые возникают при использовании слишком больших объемов подземных вод для повседневной жизни, в том числе дома, бизнеса и сельского хозяйства. Одна из проблем заключается в том, что эти воды все больше и больше удаляются от поверхности Земли. Люди используют подземные воды быстрее, чем дождь или таяние снега могут пополнить водоносные горизонты. Это означает, что необходимо глубже производить бурение, чтобы добраться до источника.

Это может показаться не очень важным, но когда грунтовые воды настолько далеки, почва и глина, составляющие поверхностный слой Земли, подвергаются напряжению и становятся слабыми. В конце концов, может упасть слабая поверхность и образоваться воронка. Воронки являются серьезной проблемой и встречаются в районах, где происходила добыча глубоких подземных вод.

Спрашивай! Не стесняйся!

Не все нашли? Используйте поиск по сайту

Земля уникальна, потому что на ней так много воды. Она есть в земле, на поверхности, в воздухе и в наших телах.

Сколько же воды на Земле? Около 71% поверхности Земли составляет вода. Если вы возьмете всю воду на Земле и сформируете из нее шар, его ширина составит около 1400 км.

Сколько процентов воды на Земле? Сколько литров и соотношение с сушей? Давайте взглянем на некоторые интересные факты о глобальном распределении и объеме воды на Земле.

В процентах, литрах, тоннах, кубических километрах

На Земле много воды! На нашей планете можно найти около 326 000 000 000 000 000 000 галлонов (это 326 миллионов триллионов галлонов) вещества (примерно 1 260 000 000 000 000 000 000 литров). Эта вода находится в постоянном круговороте — она испаряется из океана, путешествует по воздуху, выпадает дождем на землю, а затем возвращается в океан.

• Океаны огромны. Около 70 процентов планеты покрыто океаном, а средняя глубина океана составляет около 3688 метров.
• 98 процентов воды на планете находится в океанах и поэтому непригодна для питья из-за соли.
• Менее 3 процентов воды на планете являются пресными, но около 1,6 процента воды на планете заключены в полярных ледяных шапках и ледниках.
• Еще 0,36 процента находятся под землей в водоносных горизонтах и ​​колодцах.
• Лишь около 0,036% общего запаса воды на планете содержится в озерах и реках. Это по-прежнему тысячи триллионов литров, но это очень мало по сравнению со всей доступной водой.

В цифрах будет выглядеть так:

• полная масса всех океанов – 1,35Х1018 тонн.
• 1 386 000 000 кубических километров.
• 1 386 000 000 000 000 000 000 литров.

Надо сказать, что литры посчитаны приблизительно, но цифры не изменяются благодаря круговороту воды в природе.

Соотношение воды и суши на земле

Обычно есть две версии ответа на этот вопрос.

• Во-первых, более общий: около 70% Земли составляет вода, а около 30% — суша (Геологическое общество США).
• Второй — более конкретный: 71% Земли — это вода, а 29% — суша.

Оба будут служить, в зависимости от ваших потребностей и целей. Интересно то, что процент воды на Земле включает не только очевидные источники воды, такие как океаны и озера, но и менее очевидные источники.

Но на суше есть реки, озёра, в процентах это будет составлять 1,7. Вычтем из 29%, получим 27 процентов суши. Ледники, болота ещё 2%.

В итоге, 25% занимает суша, а водная поверхность – 75 процентов или 380 млн кв. км.

Объём запасов воды на нашей планете огромный – около 1500 млн кубических километров, что составляет 1/800 объёма планеты или 1,54 квинтиллиона тонн.

Основной объём воды на Земле заключён

Для подробного объяснения того, где находится вода на Земле, посмотрите на таблицу данных ниже. Обратите внимание, что из общего запаса воды в мире, составляющего около 332,5 млн куб. м воды, более 96 процентов составляют соленые воды. Из общего количества пресной воды более 68 процентов заперты во льду и ледниках. Еще 30 процентов пресной воды находится в земле. Реки являются источником большей части пресной поверхностной воды, которую люди используют, но они составляют лишь около 2 120 км 3, что составляет около 1/10 000 одного процента от общего объема воды.

Примечание. Сумма процентов может не равняться 100 процентам из-за округления.

Сколько пресной и солёной воды

Если вы сравните соленую воду с пресной, то около 97,2% из них непригодны для питья, потому что в них есть соль. Если суммировать все источники пресной воды, то около 2,8% воды на Земле составляет пресная вода.

Из этих 2,8% 99% источников пресной воды находятся либо в ледниках, либо в водоносном горизонте, содержащемся в виде подземных вод. Лишь незначительное количество (1%) содержится в пресноводных озерах, ручьях и в атмосфере.

Ледники хранят примерно 3/4 запасов пресной воды Земли. Это делает ледники крупнейшим резервуаром пресной воды на Земле.

Наконец, подземные воды являются вторым по величине резервуаром пресной воды на Земле. Грунтовые воды различаются по местоположению. Пресные подземные воды составляют около 45% воды в земле. Тогда как минерализация подземных вод составляет около 55%.

В литрах

Солёная вода составляет 97% общих водных запасов на Земле или 1,47 млрд км3, если пересчитать, то будет 1 370 квинтиллионов литров.

125 квадриллионов литров пресной жидкости, которая сосредоточена в ледниках, реках и озёрах.

https://youtube.com/watch?v=OoyQ93S-15Y%3Ffeature%3Doembed

Все воды земной коры, находящиеся ниже поверхности Земли в горных породах в газообразном, жидком и твёрдом состояниях, называются подземными водами.

Подземные воды составляют часть гидросферы – водной оболочки земного шара. Они встречаются а буровых скважинах на глубине до нескольких километров. По данным В.И. Вернандского, подземные воды могут существовать до глубины 60 км в связи с тем, что молекулы воды даже при температуре 2000о С диссоциированы всего на 2%

Приблизительные подсчёты запасов пресной воды в недрах Земли до глубины 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 сооружения копаных колодцев до несколько десятков метров было известно за 2000-3000 тысячи лет до н.э. в Египте, Средней Азии, Индии, Китае. В этот же период появилось и лечение минеральными водами.

В первом тысячелетии до нашей эры появились первые представления о свойствах и происхождении природных вод, условиях их накопления и круговороте воды на Земле (в работах Фалеса и Аристотеля – в Древней Греции; Тита Лукреция Кара и Витрувий – в Древнем Риме, и др.).

Изучению подземных вод способствовало расширение работ, связанных с водоснабжением, строительством каптажных сооружений (например, кяризов у народов Кавказа, Ср. Азии), добычей соленых вод для выпаривания соли путем копания колодцев, а затем и бурения (территория России, 12-17 века). Позже возникли понятия о водах ненапорных, напорных (поднимающихся снизу вверх) и самоизливающихся. Последние получили название артезианских – от провинции Артуа (древнее название “Артезия”) во Франции.

В эпоху Возрождения и позднее подземным водам и их роли в природных процессах были посвящены работы многих ученых – Агриколлы, Палисси, Стено и др.

В России первые научные представления о подземных водах как о природных растворах, их образовании путем инфильтрации атмосферных осадков и геологической деятельности подземных вод были высказаны М.В. Ломоносовым в сочинении «О слоях земных» (1763 г.).

До середины 19 века учение о подземных водах развивалось как составная часть геологии. Затем оно обособляется в отдельную дисциплину – гидрологию.

Общая гидрогеология изучает происхождение подземных вод, их физические и химические свойства, взаимодействие с вмещающими горными породами.

Изучение подземных вод в связи с историей тектонических движений, процессов осадконакопления и дианогенеза позволило подойти к истории их формирования и способствовало появлению в 20 веке новой отрасли гидрогеологии – палеогидрогеологии (учение о подземных водах прошлых геологических эпох).

Динамика подземных вод изучает движение подземных вод пол влиянием естественных и искусственных факторов, разрабатывает методы количественной оценки производительности эксплуатационных скважин и запасов подземных вод.

Учение о режиме и балансе подземных вод рассматривает изменения в подземных водах (их уровне, температуре, химическом составе, условиях питания и движения), которые происходят под воздействием различных природных факторов (атмосферных осадков, и условиях их инфильтрации, испарения, температуры и влажности воздуха и почвенного слоя, влияния режимов поверхностных водоемов, рек, техногенной деятельности человека).

Во второй половине 20 века начали разрабатываться методы прогноза режима подземных вод, что имеет важное практическое значение при эксплуатации подземных вод, гидротехническом строительстве, орошаемом земледелии и решении других вопросов.

Сейчас 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 суши приходится 39,3 % площади полушария, в южном – 19,1 %. Об удельном весе элементов влагооборота и их влиянии на общий оборот воды в природе можно судить по данным, приводимым ниже:

Таблица 1

Испарения с океана

Испарения с суши

Осадки на поверхность океана

Осадки на поверхность суши

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

36,3 тыс. км3

Под влиянием солнечной энергии с поверхности Мирового океана испаряется в среднем около 450,0 тыс. км3 воды. Некоторая часть этой влаги в виде пара переносится воздушными течениями на материки.

При определенных условиях водяные пары конденсируются и выпадают в виде дождя, снега, града и т.п. Выпавшие на сушу атмосферные осадки стекают по склонам местности, образуя ручьи и реки, которые несут свои воды вновь в Мировой океан.

Часть выпавших осадков испаряется, часть просачивается в землю, образуя подземные воды, которые подземным стоком поступают в ручьи и реки и, таким образом, также возвращаются в океан. Этот замкнутый процесс обмена между атмосферой и земной поверхностью называется круговоротом воды в природе.

Таким образом, водность рек, используемых в народном хозяйстве в качестве источников воды, связана с влагооборотом Земли и зависит от распределения воды 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 вод (инфильтрующих) в землю на некоторую глубину, и из вод из болот, рек, озер и водохранилищ, также просачивающихся в землю. Количество влаги, прогоняемой таким образом в почву, составляет 15-20 % общего количества атмосферных осадков.

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

К водопроницаемым породам относятся крупнообломочные породы, галечник, гравий, пески, трещиноватые породы и т.д. К водонепроницаемым породам – массивнокристаллические породы (гранит, мрамор), имеющие минимальную впитывать в себя влагу, и глины. Последние, пропитавшись водой, в дальнейшем ее не пропускают. К породам полупроницаемым относятся глинистые пески, рыхлые песчаники, рыхловатые мергели и т.п.

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

Подземные воды образуются различными способами. Один из основных способов образования подземной воды – просачивание, или инфильтрация, атмосферных осадков и поверхностных вод (озёр, рек, морей и т.д.). По этой теории, просачивающаяся вода доходит до водоупорного слоя и накапливается на нём, насыщая породы пористого и пористо-трещинноватого характера. Таким образом возникают водоносные слои, или горизонты подземных вод. Поверхность грунтовых вод, называется зеркалом грунтовых вод. Расстояние от зеркала грунтовых вод до водоупора называют мощностью водоупорного слоя.

Количество воды, просочившийся в грунт, зависит не только от его физических свойств, но и от количества атмосферных осадков, наклона местности к горизонту, растительного покрова и др. При этом длительный моросящий дождь создает лучшие условия для просачивания, чем обильный ливень, так как чем интенсивнее осадки, тем с большей скоростью выпавшая вода стекает по поверхности почвы.

Крутые склоны местности увеличивают поверхностный сток и уменьшают просачивание атмосферных осадков в грунт; пологие, наоборот, увеличивают их просачивание. Растительный покров (лес) увеличивает испарение выпавшей влаги и в то же время усиливает выпадение осадков. Задерживая поверхностный сток, он способствует просачиванию влаги в грунт.

Для многих территорий земного шара инфильтрация является основным способом образования подземных вод. Однако имеется и другой путь их образования – за счёт конденсации водяных паров в горных породах. В тёплое время года упругость водяного пара в воздухе больше, чем в почвенном слое и нижележащих горных породах. Поэтому водяные пары атмосферы непрерывно поступают в почву и опускаются до слоя постоянных температур, расположенного на разных глубинах – от одного до нескольких десятков метров от поверхности земли. В этом слое движение паров воздуха прекращается в связи с увеличением упругости водяных паров при повышении температуры в глубине Земли. Вследствие этого возникает встречный поток водяных паров из глубины Земли вверх – к слою постоянных температур. А в зоне постоянных температур в результате столкновения двух потоков водяных паров происходит их конденсация с образованием подземной воды. Такая конденсационная вода имеет большое значение в пустынях, полупустынях и сухих степях. В знойные периоды года она является единственным источником влаги для растительности. Таким же способом возникли основные запасы подземной воды в горных районах Западной Сибири.

Оба способа образования подземных вод – путём инфильтрации и за счёт конденсации водяных паров атмосферы в породах – главные пути накопления подземных вод. Инфильтрационные и конденсационные воды иногда называются вандозными водами (от лат. “vadare” – идти, двигаться). Эти воды образуются из влаги атмосферы и участвуют в общем круговороте воды в природе.

Некоторые исследователи отмечают еще один способ образования подземных вод – ювениальные. Многие выходы этих вод в районах современной или недавней вулканической активности характеризуются повышенной температурой и значительной концентрацией солей и летучих компонентов. Для объяснения генезиса таких вод австрийский геолог Э. Зюсс в 1902 году выдвинул теорию ювенильного (от лат. “juvenilis” – девственный). Такие воды, как считал Зюсс, образовались из газообразных продуктов, в изобилии выделяющихся при вулканической активности и дифференциации магматической лавы.

Более поздние исследования показали, что чистых ювенильных вод, как их понимал Э. Зюсс, в поверхностных частях Земли не существует. В природных условиях подземные воды, возникшие разными способами, смешиваются друг с другом, приобретая те или иные свойства. Однако определение генезиса подземных вод имеет большое значение: оно облегчает подсчёт запасов, выяснение режима и их качество.

Уровень грунтовых вод подвержен постоянным колебаниям. Так, во время весеннего половодья и паводков уровень воды в реке, поднимаясь выше уровня речного потока, направленного к реке, вызывает отток воды из нее и подъем уровня грунтовых вод. Это снижает высоту уровня весенних половодий. На спаде грунтовые воды начинают питать реку, и уровень грунтовых вод понижается.

Грунтовые воды могут образовываться за счет искусственных гидротехнических сооружений например таких, как оросительные каналы. Так, при строительстве Каракумской оросительной системы за счет переброса части стока сибирских рек, в пустынной части значительное количество воды уходило не столько на поливные нужды, сколько на испарение и в грунт. Произошло это вследствие того, что большая часть оросительной системы проходила по песчаным почвам, где коэффициент фильтрации достаточно высок, и несмотря на противофильтрационные меры, падения уровней воды за счет фильтрации воды в грунт были велики. Все это, помимо уменьшения стока рек, приводило к тому, что содержащиеся в грунте соли растворялись грунтовыми водами, и при движении подводных потоков обратно в канал происходило его засоление и загрязнение илом.

Классификация подземных водусловия их залегания

Существует несколько классификаций подземных вод.

По условиям движения в водоносных слоях различают подземные воды, циркулирующие в рыхлых (песчаных, гравийных и галечниковых) слоях и в трещиноватых скальных породах.

Подземные воды, перемещающиеся под влиянием силы тяжести, называются гравитационными, или свободными, в отличие от вод, связанных, удерживаемых молекулярными силами, — гигроскопических, плёночных, капиллярных и кристаллизационных.

В зависимости от характера пустот водовмещающих пород подземные воды делятся на:

• поровые — в песках, галечниках и др. обломочных породах;
• трещинные (жильные) — в скальных породах (гранитах, песчаниках);
• карстовые (трещинно-карстовые) — в растворимых породах (известняках, доломитах, гипсах и др.).

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

Верховодкой называются подземные воды, залегающие вблизи поверхности земли и отличающиеся непостоянством распространения. Обычно верховодка приурочена к линзам водоупорных или слабо проницаемых горных пород, перекрываемых водопроницаемыми толщами.

Верховодка занимает ограниченные территории, это явление – временное, и происходит оно в период достаточного увлажнения; в засушливое время гола верховодка исчезает. Верховодка относится к первому от поверхности земли водоупорному пласту. В тех случаях, когда водоупорный пласт залегает вблизи поверхности или выходит на поверхность, в дождливые сезоны развивается заболачивание.

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

Грунтовые воды. Грунтовыми называются воды, залегающие на первом водоупорном горизонте ниже верховодки. Обычно они относятся к водонепроницаемому пласту и характеризуются более или менее постоянным притоком воды. Грунтовые воды могут накапливаться как в рыхлых пористых породах, так и в твёрдых трещиноватых коллекторах. Уровень грунтовых вод представляет собой неровную поверхность, повторяющую, как правило, неровности рельефа в сглаженной форме: на возвышенностях он ниже, в пониженных местах – выше.

Грунтовые воды перемещаются в сторону понижения рельефа. Уровень грунтовых вод подвержен постоянным колебаниям – на него влияют различные факторы: количество и качество выпадающих осадков, климат, рельеф, наличие растительного покрова, хозяйственная деятельность человека и многое другое.

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

Напорные, или артезианские воды. Напорными называют такие воды, которые находятся в водоносном слое, заключенном между водоупорными слоями, и испытывают гидростатическое давление, обусловленное разностью уровней в месте питания и выхода воды на поверхность. Область питания у артезианских вод обычно лежит выше области стока воды и выше выхода напорных вод на поверхность Земли. Если в центре такой чаши заложить артезианскую скважину, то вода из нее будет вытекать в виде фонтана по закону сообщающихся сосудов.

Размеры артезианских бассейнов бывают весьма значительными – до сотен и даже тысячи километров. Области питания таких бассейнов зачастую значительно удалены от мест извлечения воды. Так, воду, выпавшую в виде осадков на территории Германии и Польши, получают в артезианских скважинах, пробуренных в Москве; в некоторых оазисах Сахары получают воду, выпавшую в виде осадков над Европой.

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

По происхождению выделяется несколько типов подземных вод.

Инфильтрационные воды образуются благодаря просачиванию с поверхности Земли дождевых, талых и речных вод. По составу они преимущественно гидрокарбонатно-кальциевые и магниевые. При выщелачивании гипсоносных пород формируются сульфатно-кальциевые, а при растворении соленосных — хлоридно-натриевые воды.

Конденсационные подземные воды образуются в результате конденсации водяных паров в порах или трещинах пород.

Седиментационные воды формируются в процессе геологического осадкообразования и обычно представляют собой измененные захороненные воды морского происхождения — хлоридно-натриевые, хлоридно-кальциево-натриевые и др. К ним же относятся погребённые рассолы солеродных бассейнов, а также ультрапресные воды песчаных линз в моренных отложениях.

Воды, образующиеся из магмы при её кристаллизации и вулканическом метаморфизме горных пород, называются магматогенными, или ювенильными (по терминологии Э. Зюсса).

Питание рек подземными водами и расчет подземного стока

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

При сильно замедленных скоростях движения грунтовых вод, по сравнению с поверхностными, подземные воды в речном стоке выступают как регулирующий фактор.

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

Количественной мерой питания служит значение подземного стока, который, в свою очередь, характеризуется так называемым модулем подземного стока:

Мподз. = К•М0/100,

где Мподз. – модуль подземного стока, л/сек с 1 км2 водосборной площади;

М0 – средний многолетний модуль общего стока, л/сек с 1 км2 поверхностного водосборного бассейна;

К – модульный коэффициент, показывающий процент подземного стока в общем стоке и определяемый по формуле

где Мmin – минимальный модуль стока, л/сек с 1 км2 поверхностного водосборного бассейна, определяемый по зимнему расходу реки и равный модулю подземного стока, т.к. реки зимой питаются преимущественно подземными водами.

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

Кроме этих формул, величина подземного стока может быть определена гидрохимическим методом (по А.Т. Иванову):

где Qподз – годовой объём подземного стока;

Q0 – годовой объём речного стока;

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

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

c2 – концентрация того же компонента в поверхностных водах в тот же период.

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

• Питание грунтовыми водами, гидравлически не связанными с рекой;
• Питание грунтовыми водами, гидравлически связанными с рекой;
• Смешанное грунтовое питание (a+b);
• Смешанное грунтовое и артезианское питание (a+b+c).

Согласно этих данных Б.И. Куделиным были предложены формулы для определения слоя hподз и коэффициента подземного стока αподз. Слой подземного стока выражается в миллиметрах в год (или любой другой единице времени) с одного квадратного километра площади подземного бассейна и рассчитывается как:

где hподз – слой подземного стока, мм/год;

Qподз – объем подземного стока с площади бассейна, м3/год;

F – площадь бассейна, м2.

Коэффициент подземного стока αподз представляет собой отношение подземного стока к осадкам, выпавшим на площадь данного речного водосборного бассейна, и показывает ту часть осадков, которая идёт на питание подземных зон весьма интенсивного водообмена в бассейне:

где x – слой осадков, мм/год.

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

Основные проблемы использования и защиты подземных вод

В силу своего местонахождения подземные воды лучше защищены от внешних воздействий, чем поверхностные, однако имеются серьёзные симптомы неблагоприятного изменения режима подземных вод на больших площадях и в широком диапазоне глубин. К ним относятся: истощение и понижение уровня подземных вод из-за чрезмерного отбора; внедрение на побережье морских солёных вод; образование депрессионных воронок и другие.

Большую опасность представляет загрязнение подземных вод. Можно выделить два типа загрязнений – бактериальное и химическое. В определённых условиях в водоносные горизонты могут проникать сточные и техногенные промышленные воды, загрязнённые поверхностные воды и атмосферные осадки.

При создании водохранилищ в результате подпора происходит повышение уровня грунтовых вод. Положительным следствием такого изменения режима является увеличение их ресурсов в прибрежной зоне водохранилища; отрицательными – подтопление прибрежной зоны, что вызывает заболачивание территории, а так же засоление почв и грунтовых вод вследствие повышенного их испарения при неглубоком залегании.

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

В определённых условиях отбор подземных вод может оказать существенное влияние на качество поверхностных вод. В первую очередь это относится к промышленной эксплуатации и сбросу минерализованных вод, сбросу шахтных и попутных нефтяных вод. Поэтому должно предусматриваться комплексное использование и регулирование ресурсов поверхностных и подземных вод. Примерами такого подхода могут служить использование подземных вод для орошения в маловодные годы, а так же искусственное восполнение запасов подземных вод и сооружение подземных водохранилищ.

К.х.н. О.В. Мосин

1. Новиков Ю.В., Сайфутдинов М.М. Вода и 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. Курс лекций: Учебное пособие для студентов учреждений среднего профессионального образования. – М.: Форум: Инфра М., 2002. – 224 с.

4. Горошков И.Ф. Гидрологические расчёты. – Л.: Гидрометеоиздат, 1979. – 432 с.

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

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

Грунтовые воды – это вода , присутствующая под поверхностью Земли в порах горных пород и почвы, а также в трещинах горных пород . Около 30 процентов всей легкодоступной пресной воды в мире составляют подземные воды. Единица горной породы или рыхлого отложения называется водоносным горизонтом , если она может давать пригодное для использования количество воды. Глубина, на которой поры почвы или трещины и пустоты в горных породах полностью насыщаются водой, называется уровнем грунтовых вод . Подземные воды пополняются с поверхности; он может стекать с поверхности естественным путем через родники и просачиванияи могут образовывать оазисы или водно -болотные угодья . Подземные воды также часто изымаются для сельскохозяйственных , коммунальных и промышленных нужд путем строительства и эксплуатации добывающих скважин . Изучением распределения и движения подземных вод занимается гидрогеология , называемая также гидрологией подземных вод .

Обычно под подземными водами понимают воду, протекающую через неглубокие водоносные горизонты, но в техническом смысле они могут также содержать почвенную влагу , вечную мерзлоту (мерзлый грунт), неподвижную воду в коренных породах с очень низкой проницаемостью и глубинные геотермальные воды или воды нефтеносных пластов . Предполагается, что грунтовые воды обеспечивают смазку , которая может влиять на движение разломов . Вполне вероятно, что большая часть недр Земли содержит некоторое количество воды, которая в некоторых случаях может быть смешана с другими жидкостями.

Подземные воды часто дешевле, удобнее и менее подвержены загрязнению , чем поверхностные воды . Поэтому он обычно используется для общественного водоснабжения. Например, подземные воды являются самым большим источником пригодных для использования запасов воды в Соединенных Штатах, а Калифорния ежегодно забирает самый большой объем подземных вод из всех штатов. Подземные резервуары содержат гораздо больше воды, чем вместимость всех поверхностных резервуаров и озер в США, включая Великие озера . Многие муниципальные системы водоснабжения получают исключительно из подземных вод. Более 2 миллиардов человек полагаются на него как на основной источник воды во всем мире.

Использование подземных вод связано с экологическими проблемами. Например, загрязненные подземные воды менее заметны и их труднее очистить, чем загрязнения в реках и озерах. Загрязнение подземных вод чаще всего происходит в результате неправильного размещения отходов на суше. Основные источники включают промышленные и бытовые химикаты и свалки мусора , избыточное количество удобрений и пестицидов, используемых в сельском хозяйстве, лагуны промышленных отходов, хвостохранилища и технологические сточные воды из шахт, промышленного гидроразрыва пласта, соляные ямы нефтяных месторождений, протекающие подземные нефтехранилища и трубопроводы, осадок сточных вод и септики. системы . Кроме того, подземные воды подвержены проникновению соленой воды в прибрежные районы и могут вызвать оседание почвы при неустойчивой добыче, что приводит к затоплению городов (например, Бангкок )) и потере высоты (например, потеря нескольких метров в Центральной долине Калифорнии) . Эти проблемы усложняются повышением уровня моря и другими изменениями, вызванными изменениями климата, которые повлияют на круговорот воды .