Классификации подземных вод отражают разнообразие условий их распространения, залегания и формирования, а также особен-ности состава и свойств (В.И. Вернадский, Ф.П. Саваренский,Н.И. Толстихин, Е.В. Пиннекер и др.).

Наиболее полной является классификация, разработанная А.М. Овчинниковым, которая отражает основные типы и подтипы подземных вод и геометрию фильтрационных сред.

Почвенные воды . В почвенном слое содержится влага, назы-ваемая почвенными водами. К ним относится: гигроскопическая, рыхло связанная, капиллярная (поднятая, подвешенная, стыковая) вода. Эти воды, передвигающиеся под действием молекулярных, капиллярных сил и реже сил тяжести, во многом определяют пло-дородие почв. Небольшие постоянные скопления воды образуются лишь в почвах болотного типа; они характеризуются большим со-держанием органических веществ и микроорганизмов.

В почвоведении выделяют следующие виды увлажнения почвы: атмосферное, грунтово-атмосферное, грунтово-атмосферное с до-полнительным поверхностным питанием и грунтово-атмосферное с дополнительным паводковым питанием.

В соответствии с балансом влаги (соотношением между ее по-ступлением и уходом (испарение и отток)) выделяют различные типы водного режима почв с разными значениями коэффициента увлажнения К у: мерзлотный (К у ≥1); промывной (К у > 1, тайга, лес, лесостепь — почвы дерново-подзолистые, лесные, черноземы); непромывной (К у < 1, сухие степи, полупустыни — каштановые почвы, сероземы).

В почвенном разрезе (2,0—2,5 м) выделяют горизонты: поч-венный — корнеобитаемый слой; подпочвенный, куда в некоторых зонах «промокание» не доходит; капиллярной каймы. Геологи-ческая деятельность почвенных вод незначительна, однако агроно-мическое значение этих вод огромно, так как почвенная влага не-обходима для выращивания сельскохозяйственных культур.

Гравитационные подземные воды сосредоточены главным об-разом в зоне насыщения, где они образуют различные по условиям залегания и питания водоносные горизонты и системы водоносных горизонтов (комплексы, этажи, бассейны).

В зоне аэрации свободные гравитационные воды могут образо-вывать временно существующие водоносные горизонты, называ-емые верховодкой.

В зоне насыщения распространены грунтовые и межпластовые напорные или безнапорные подземные воды.

Взаимоотношения и связи верховодки, грунтовых и напорных вод могут быть самыми разнообразными, что зависит от геолого-структурных, геоморфологических, тектонических, литологи-ческих, климатических и других факторов и условий. Общая схема их взаимного расположения в разрезе показана на рис.ниже.

Верховодка — это горизонт, который формируется за счет не-больших скоплений в зоне аэрации вод временного, сезонного ха-рактера, имеющих гидравлическую связь с почвенными водами и залегающих на невыдержанных водонепроницаемых и слабопро-ницаемых слоях вблизи поверхности земли. Зимой она промерзает, а летом пересыхает. Верховодка всегда усложняет инженерно-гео-логические условия строительства, поскольку может быть не заме-чена при изысканиях. Иногда режим верховодки характеризуется относительной устойчивостью, и тогда ее воды используются для местного водоснабжения (например, в Тульской, Калужской и Смоленской областях используются воды, содержащиеся в пок-ровных суглинках водоразделов).

Схема соотношения верховодки, грунтовых и напорных вод

1 — верховодка; 2 — грунтовые воды; 3 — напорные воды; УВ — уровень верховодки; УГВ — уровень грунтовых вод; ПУНВ — пьезометрический уровень напорных вод; стрелками показано направление движения подземных вод

Возникают верховодки вследствие просачивания с поверхности атмосферных осадков, поверхностных и оросительных вод и на-копления их на линзах и прослойках слабопроницаемых пород, иг-рающих роль местных водоупоров. Верховодки обычно залегают неглубоко и расположены в разрезе выше постоянных горизонтов грунтовых вод. Их воды расходуются в основном на испарение, транспирацию и питание грунтовых вод.

Особенности верховодки как своеобразного типа подземных вод:

• расположение в пределах пород зоны аэрации;
• временный характер, сезонность (обычно в периоды интенсив-ного выпадения атмосферных осадков и утечек воды из раз-личных систем);
• ограниченность распространения (локальный характер пред-определяется локальным распространением водоупоров);
• резкая зависимость ее запасов, режима и качества от климати-ческих условий и хозяйственной деятельности человека;
• легкая загрязняемость и непригодность для постоянного водо-снабжения.

Накопление верховодки происходит весной при оттаивании почвы и уменьшении мерзлого слоя; осенью — после периода дли-тельных дождей. Необходимым условием задержания влаги в по-родах должно быть переслаивание проницаемых и слабопроница-емых пород. Например, погребенные горизонты почв должны зале-гать в толще лёссов, линзы размытой глинистой морены — среди флювиогляциальных песчаных отложений, линзы и карманы суг-линистых отложений — среди аллювиальных песков и т.д.

Обычно верховодка встречается в суглинках и лёссовидных от-ложениях на водораздельных плато. В районах распространения многолетней мерзлоты верховодка (воды сезонно-талого слоя) весьма своеобразна и широко распространена. Воды верховодки не имеют связи с реками. Уровень ее характеризуется крайней из-менчивостью. В районах больших городов эти воды легко загрязня-ются. Для гидротехнического и гражданского строительства ее при-сутствие неблагоприятно.

По химическому составу воды верховодки неодинаковы: прес-ные и слабоминерализованные с повышенным содержанием крем- некислоты, органического вещества и железа в северных районах и обычно минерализованные в южных районах (из-за испарения). При бурении скважин для целей водоснабжения верховодку необ-ходимо тщательно изолировать при помощи обсадных труб во из-бежание загрязнения ею лежащих ниже водоносных горизонтов.

Грунтовые воды. К грунтовым водам относятся подземные воды первого от поверхности постоянно действующего водоносного го-ризонта, залегающего на относительно выдержанном водоупоре и имеющего свободную поверхность.

Сверху грунтовые воды обычно не перекрыты водоупорными отложениями, поэтому они имеют тесную связь с атмосферой и давление на их поверхности равно атмосферному давлению, т.е. поверхность фунтовых вод при вскрытии их скважинами уста-навливается в них на той глубине, где они были встречены. Не-редко поэтому грунтовые воды называют безнапорными (в отличие от напорных, имеющих избыточный напор над перекрывающей их водоупорной кровлей).

Условия залегания грунтовых вод на первом от поверхности вы-держанном водоупоре предопределяют особенности их питания, распространения, движения и разгрузки. Области питания и рас-пространения грунтовых вод совпадают, т.е. их питание через зону аэрации осуществляется по всей площади их распространения. По-этому расход потока грунтовых вод является величиной переменной (как правило, увеличивается по пути их движения). Основными ис-точниками питания грунтовых вод являются атмосферные осадки, поверхностные и конденсационные воды. Грунтовые воды имеют тесную гидравлическую связь с поверхностными водотоками и во-доемами и в зависимости от соотношения их уровней либо разгру-жаются в них (дренируются), обеспечивая их подземное питание, либо питаются поверхностными водами (особенно при подпорах и в паводки). При изменении уровня воды в поверхностных водо-емах изменяется уровень в гидравлически с ними взаимосвязанных горизонтах фунтовых вод.

Различные соотношения между поверхностными и грунтовыми водами

а — связь между водами отсутствует; б — река питает грунтовые воды; в — грун-товые воды питают реку; г — один берег реки питает грунтовые воды, а другой — дренирует. Стрелками показно направление движения вод, пунктиром — уровень

Характерна также тесная зависимость режима уровней, качества и количества грунтовых вод от климатических факторов, процессов, протекающих в зоне аэрации, и инженерной деятельности человека (повышение уровней и запасов в дождливое время и понижение их в засуху, ухудшение качества вод при инфильтрации сточных вод).

Грунтовые воды разгружаются в виде источников, пластовых выходов, мочажин в местные понижения и поверхностные водо-токи и водоемы. При залегании близко к поверхности (0-4 м) они могут разгружаться путем испарения через зону капиллярной каймы. На отдельных участках возможна гидравлическая взаимо-связь грунтовых вод с лежащими ниже напорными водами через
отдельные литологические окна и участки размыва разделяющих их водоупорных толщ. При этом в зависимости от соотношения уровней взаимосвязанных горизонтов будет происходить либо пи-тание, либо разгрузка грунтовых вод.
Грунтовые воды движутся от мест с их более высоким уровнем к местам с их пониженным уровнем, обычно от участков с повы-шенным рельефом и водоразделов в сторону местных понижений, оврагов, балок и речных долин. Разгружаются грунтовые воды в этих понижениях обычно в виде нисходящих источников. По-верхность грунтовых вод (зеркало), как правило, в несколько сгла-женном виде соответствует рельефу местности. При этом гидравли-ческие уклоны поверхности грунтовых вод обычно невелики и со-ставляют в среднем 0,05—0,001. На отдельных участках уровень грунтовых вод может быть практически горизонтальным, что сви-детельствует о незначительной скорости их фильтрации либо о полном ее отсутствии.

Наглядное представление об условиях распространения и дви-жения грунтовых вод дает карта гидроизогипс , на которой показано положение поверхности грунтовых вод в изолиниях, соединяющих точки с одинаковыми отметками уровня подземных вод. Строят такую карту аналогично карте рельефа земной поверхности в гори-зонталях, используя результаты единовременных замеров уровня грунтовых вод во всех имеющихся скважинах, колодцах и в их есте-ственных выходах.

Если наблюдается резкое изменение уровня грунтовых вод в различные периоды, то карты гидроизогипс составляют на эти ха-рактерные периоды и даты (например, когда уровень грунтовых вод бывает максимальным и минимальным). Для получения данных об изменении данного уровня проводят специальные наблюдения их режима (так называемые режимные наблюдения).

Карта гидроизогипс позволяет определять:

• направление движения грунтовых вод (по нормалям к гидроизо-гипсам);
• гидравлические уклоны и скорость фильтрации;
• глубину залегания грунтовых вод (по разности отметок горизон-талей поверхности Земли и гидроизогипс водной поверхности);
• характер взаимосвязи грунтовых вод с поверхностными (по ха-рактеру сопряжения гидроизогипс с поверхностными водоемами и направлению движения подземных вод)

и решать другие практические задачи.

Нередко на основе карты гидроизогипс составляют карту глу-бины залегания грунтовых вод (в изолиниях равных глубин или с вы-делением зон определенной глубины залегания грунтовых вод).

Такие карты широко используют при бурении скважин для целей водоснабжения, орошения и осушения.

Грунтовые воды распространены повсеместно там, где темпера-турные условия верхней части литосферы допускают их накопление и существование в жидкой фазе. Изучение условий их формиро-вания и распространения показало, что существуют определенные закономерности зонального распределения различных по проис-хождению типов грунтовых вод.

Грунтовые воды имеют большое народнохозяйственное зна-чение: их широко используют для целей хозяйственно-питьевого и сельскохозяйственного водоснабжения и орошения. Основными типами широко используемых грунтовых вод являются грунтовые воды речных долин, ледниковых отложений, степей, полупустынь и пустынь, конусов выноса и предгорных наклонных равнин, горных районов, песчаных морских побережий.

В гидрогеологии определение грунтовых вод часто дается по С.Н. Никитину, который к этой категории относит только воды первого от поверхности земли выдержанного горизонта подземных вод, залегающего на водоупоре.

Разновидности подземных вод, залегающих вблизи поверхности земли под невыдержанным водоупором, называют водами меж- пластовыми, закрытыми или подземными (например, подземные воды предгорных конусов выноса или ледниковых отложений).

Особенности грунтовых вод следующие:

• залегание вблизи поверхности земли в рыхлых отложениях из-менчивой мощности, преимущественно четвертичного возраста, дренируемых реками или вскрываемых эрозионной сетью;
• если пласт первый от поверхности и не полностью насыщен водой, то воды ненапорные, а если пласт перекрыт невыдержан-ными по мощности слоями разной проницаемости, то воды обычно напорные;
• область питания совпадает с областью распространения, и пи-тание происходит за счет инфильтрации атмосферных осадков и снеговых вод; фильтрации из рек, озер и каналов; конден-сации водяных паров и внутри грунтового испарения; подтока (подпитывания) из более глубоких водоносных горизонтов;
• глубина залегания уровня, температура, минерализация и расход грунтовых вод подвержены систематическим суточным, ме-сячным, годовым и многолетним колебаниям;
• подземный сток грунтовых вод обычно направлен от водораз-делов к речным долинам, где осуществляется их разгрузка в реки;
• режим грунтовых вод (инфильтрация и боковой приток, отток и испарение, а также баланс, условия формирования и стока)
  обычно тесно связан с современным климатом, рельефом и по-верхностными водами.

Межпластовые безнапорные воды . Эти воды, как и грунтовые, имеют свободную поверхность, давление на которой равно атмос-ферному, но залегают они обычно между двумя водоупорными тол-щами.

Из-за этого межпластовые воды питаются на ограниченных участках (в областях выхода водовмещающих отложений на поверх-ность, на участках их взаимосвязи с поверхностными водотоками и напорными водами) и находятся в более благоприятных сани-тарных условиях, чем незащищенные с поверхности фунтовые воды.

В периоды интенсивного выпадения осадков и половодий уровни межпластовых вод могут повышаться вплоть до появления избыточных напоров над перекрывающей их водоупорной кровлей, тогда межпластовые безнапорные воды могут становиться напор-ными водами .

Таким образом, межпластовые безнапорные воды являются как бы промежуточным типом подземных вод — по гидравлическому характеру они безнапорные и аналогичны грунтовым водам, однако по условиям залегания близки к напорным водам.

Артезианские воды и бассейны . Под Парижем, в предместье Артуа, в 1126 г. неожиданно при бурении скважин были вскрыты фонта-нирующие воды, которые получили название артезианских вод. В первое время артезианскими водами называли только воды, фон-танирующие выше поверхности земли, — «водометы», позднее этим понятием стали объединять все межпластовые напорные воды, залегающие в тектонических структурах, вогнутых или наклонных пластах, поднимающиеся над кровлей пласта в стволе скважины.

Для образования артезианских вод необходимы следующие условия:

• обилие атмосферных осадков в области питания, т.е. приурочен-ность ее к поясу избыточного увлажнения;
• породы области питания должны выходить на поверхность выше пунктов заложения скважин, т.е. необходимы наклон и изогну-тость пластов, обусловливающие гидравлический, артезианский напор;
• оптимальные возможности водопоглощения, наличие хорошо проницаемых почв, в зоне аэрации — малое количество и не-большая мощность глинистых водоупорных горизонтов и толщ;
• наличие в области распространения или напора выдержанной глинистой кровли;
• высокая пористость, трещиноватость и водопроницаемость во-довмещающих пород.

Грунтовые и межпластовые ненапорные воды

1 — грунтовые воды; 2 — межпластовые ненапорные воды; 3 — разгрузка грун¬товых вод в виде источников; W — инфильтрационное питание; УГВ — уровень грунтовых вод; УМНВ — уровень межпластовых ненапорных вод

Отличительная черта артезианских вод — это наличие избыточ-ного напора над поверхностью кровли водосодержащего пласта. При вскрытии напорных вод горными выработками их уровень под действием избыточного напора поднимается и устанавливается выше водоупорной кровли, соответственно положению пьезометрической поверхности напорного водоносного горизонта.

Схема артезианского бассейна

а — область питания; б — область напора; в — область разгрузки; г — область воз-можного самоизлива напорных вод; 1,2 — пьезометрический уровень напорных вод первого горизонта; 3 — восходящий источник; 4 — участок возможной гидрав-лической взаимосвязи напорных горизонтов (гидрогеологическое «окно»); 5 — на-порные водоносные горизонты

Величину напора обычно определяют по положению пьезомет-рического уровня водоносного горизонта относительно горизон-тальной плоскости сравнения О — О. Напорные воды располо-жены, как правило, ниже горизонтов грунтовых вод и характеризу-ются своеобразными условиями залегания, распространения, питания и разгрузки. Наличие водоупорной кровли, перекрыва-ющей водоносный пласт, затрудняет питание и разгрузку напорных вод и их взаимосвязь с поверхностными водами и атмосферой.

Питание напорных водоносных горизонтов оказывается воз-можным лишь в области выхода водопроницаемого пласта на по-верхность, где создаются условия для проникновения в пласт путем инфильтрации атмосферных осадков и поверхностных вод. Как уже говорилось, эта область, имеющая меньшие размеры, чем область распространения напорных вод, называется областью питания . Она обычно расположена на наиболее высоких отметках, нередко на значительном удалении от областей распространения и раз-грузки напорных вод.

В области питания подземные воды имеют свободную поверх-ность и тесную гидравлическую взаимосвязь с поверхностными во-дами. Область, в пределах которой подземные воды имеют избы-точный над перекрывающей их водоупорной кровлей напор, назы-вается областью напора (или областью распространения напорных вод). В этой области подземные воды, как правило, не получают питания по пути их движения (так как они изолированы в разрезе водоупорами) и расход их не изменяется. На отдельных участках возможен самоизлив напорных вод при вскрытии их скважинами там, где отметки пьезометрического уровня превышают отметки земной поверхности.

Разгрузка напорных вод происходит в области их выхода на по-верхность (на пониженных по сравнению с областью питания участках), а также на участках естественного (реки, овраги, балки и т.п.) и искусственного (скважины, колодцы, шахты, карьеры и т.п.) вскрытия напорных вод.

В естественных условиях напорные воды, разгружаясь, образуют восходящие источники, ключи, грифоны и т.п., питают реки и другие поверхностные водоемы. Движутся напорные воды в на-правлении от областей питания к областям разгрузки. Интенсив-ность их движения уменьшается по мере увеличения глубины и удаления от областей питания.

Положение пьезометрической поверхности напорных вод ха-рактеризуется картой пьезоизогипс (гидроизопьез), которая состав-ляется аналогично карте гидроизогипс грунтовых вод и представ-ляет собой систему изолиний, соединяющих точки с одинаковыми отметками пьезометрического уровня. На карты пьезоизогипс на-носят также изолинии отметок поверхности кровли и подошвы рас-сматриваемого напорного горизонта, что облегчает решение многих практических задач. Например, по карте пьезоизогипс определяют направления движения напорных вод, гидравлические уклоны, на-поры, участки возможного самоизлива вод. Если известны мощ-ность напорного горизонта и его фильтрационные свойства, то можно определить скорость фильтрации подземных вод и расход потока.

Напорные воды, изолированные от атмосферы (связь имеется лишь в области питания и разгрузки), характеризуются меньшей зависимостью их режима от климатических факторов, относи-тельным постоянством уровней температуры и химического со-става, меньшей загрязненностью и лучшим санитарным качеством воды. Поэтому их можно использовать для различных видов водо-снабжения (хозяйственно-питьевого, производственно-техничес-кого, лечебно-питьевого, термального и др.) и орошения. При экс-плуатации высоконапорных вод, находящихся в пластах под значи-тельным давлением, большое практическое значение имеют их упругие запасы, высвобождающиеся из водоносных пластов при частичном снятии давления благодаря разуплотнению ранее сжатых пород и воды. Несмотря на незначительную сжимаемость воды и горных пород, упругие запасы напорных вод довольно велики, так как содержащие их водонапорные системы занимают значи-тельные пространства.

В реальных природных условиях схема распространения, пи-тания и разгрузки напорных вод зависит от геолого-структурных, тектонических, литологических, климатических и других особен-ностей того или иного района. В частности, напорные воды могут питаться и разгружаться на участках, где возможна их гидравли-ческая взаимосвязь с соседними напорными и безнапорными водо-носными горизонтами через литологические гидрогеологические «окна», тектонические нарушения и участки с размывом разделя-ющих их водоупорных отложений.

Их интенсивная разгрузка возможна также на участках, где на-порные воды вскрываются карьерами, котлованами, шахтами, во-дозаборными сооружениями, а в естественных условиях — через русловые и донные отложения рек, озер, морей (скрытая разгрузка). Пласты с напорными водами могут соединяться друг с другом или выклиниваться (исчезать), что обеспечивает своеобразные условия накопления и распространения напорных вод.

Напорные воды часто называют артезианскими, а вмещающие их геологические структуры (мульды, синклинали, моноклинали, впадины и др.) — артезианскими бассейнами.

В пределах артезианского бассейна могут иметься один или не-сколько напорных водоносных горизонтов или комплексов, взаи-мосвязанных или изолированных друг от друга водоупорными от-ложениями. Положение пьезометрических поверхностей, входящих в состав бассейна напорных водоносных горизонтов, зависит от вы-сотного расположения областей их питания и разгрузки, а также от степени гидравлической взаимосвязи напорных горизонтов.

Пьезометрическая поверхность глубоко залегающих водоносных горизонтов в значительной мере определяется геостатическим дав-лением толщи вышележащих отложений. Значительно более вы-сокие давления в центральных частях бассейнов, чем в краевых, могут вызывать движение подземных вод от центральных частей к краевым, т.е. к периферийным областям питания артезианских бассейнов.

Своеобразные бассейны напорных вод встречаются в пред-горных и горных районах, где имеются моноклинальное залегание и выклинивание водовмещающих отложений, способствующие об-разованию так называемых артезианских склонов.

Схема артезианского склона

а — область питания; 6 — область напора; в — область разгрузки; 7 — свободный уровень подземных вод в области питания; 2 — пьезометрический уровень под¬земных вод в области напора; 3 — источники нисходящего и восходящего типов в области разгрузки

Формирующиеся в области питания артезианского склона под-земные воды разгружаются в виде источников восходящего и нис-ходящего типов в непосредственной близости от области питания. Напорный характер воды артезианского склона имеют в зоне их пе-рекрытия водоупорными отложениями. Гипсометрически область напора находится на более низких абсолютных отметках, чем об-ласть разгрузки. В артезианских бассейнах с интенсивным движе-нием подземных вод распространены, как правило, пресные ин- фильтрационные воды с невысокой минерализацией (зона интен-сивного водообмена) . Мощность зоны интенсивного водообмена в благоприятных условиях может составлять 1000 м и более.

В крупных артезианских бассейнах с небольшими по площади областями питания пресные воды приурочены к неглубоко залега-ющим водоносным горизонтам и комплексам. В более глубоко за-легающих горизонтах, не охваченных интенсивным водообменом, широко распространены минерализованные и высокоминерализо-ванные подземные воды различного состава (гидрокарбонатно-сульфатные, сульфатные, сульфатно-хлоридные). Обычно эту зону называют зоной затрудненного водообмена.

В артезианских бассейнах с неблагоприятными условиями водо-обмена (незначительная разница в высотном положении областей питания и разгрузки, глубокое залегание и широкое региональное распространение напорных вод, закрытый характер водовмеща-ющих структур и т.д.) ниже этой зоны находится зона весьма за-трудненного водообмена , в пределах которой в водоносных гори-зонтах сохраняются седиментационные древние воды (воды мор-ского происхождения). Таким образом, для артезианских бассейнов характерны определенные гидродинамическая и гидрохимическая зональности. Наличие и мощность каждой из зон и их взаимное расположение зависят от конкретных условий бассейна и совокуп-ности факторов, определяющих формирование, накопление, дви-жение и расходование подземных вод.

Напорные воды артезианских бассейнов имеют большое прак-тическое значение не только как источник водоснабжения. В зави-симости от их химического и газового состава, наличия в них био-логически активных и промышленных микрокомпонентов, их тем-пературы и других показателей напорные подземные воды широко используют в курортно-санаторном деле (минеральные воды), для промышленного извлечения солей и ценных микрокомпонентов (промышленные воды), для целей теплофикации, теплоэнергетики и теплично-парникового хозяйства (термальные воды). Примерами крупных артезианских бассейнов платформенного типа являются Западно-Сибирский, Московский, Прибалтийский, Днепровско- Донецкий и др.

Поровые воды — это воды, которые насыщают пористые породы (галечники, пески, слабо сцементированные песчаники, супеси, суглинки и т.п.). Количество воды, которое можно извлечь из таких пород в единицу времени, т.е. их дебит, зависит от гранулометри-ческого состава, структуры и типа пористости породы, которые определяют скорость подтока воды к колодцу или скважине. Чем больше пор в горных породах, тем быстрее откачивается из им* вода, так как ее движение происходит свободнее. Скорость дни жения подземного потока обычно достигает в лёссе и суглинистыч породах 0,1—0,3 м/сут, в супесях и мелкозернистых песках — 0,5—1,0 м/сут, в грубозернистых песках и мелком галечнике — от 1,5 до 10 м/сут.

Через толщи песка, гравия, гальки, известняка с трещинами. Пласты, состоящие из этих пород, называют водопроницаемыми .

Но дождевая вода доходит до слоя глины и останавливается: ведь глина почти не пропускает воду. Пласты горных пород, которые не пропускают или очень слабо пропускают через себя воду, называют водоупорными (водонепроницаемыми) . К водоупорным пластам можно отнести гранит, песчаник гли-нистый сланец, но только в том случае, если они не имеют тре-щин.

Над водоупорным слоем подземная вода скапливается, образуя водоносный пласт (горизонт ) — слой водопроницаемой горной породы, за-легающий над водоупорным пластом и содержащий подземные воды.

Виды подземных источников

Родники (ключи)

Если водоупорный пласт име-ет наклон в ту или другую сторону, то вода начинает течь по этому пласту в сторону наклона его и обычно где-нибудь выхо-дит на поверхность в долине реки или в овраге. Место естественного выхода подземной воды на поверхность называют источником , клю-чом или родником (рис. 84). Вода источников, как правило чистая и холодная.

Источников особенно много в оврагах, по берегам рек, в обрывах, так как там выходят на поверхность водоупорные пласты.

Минеральные источники

В некоторых районах земного шара на по-верхность земли выходит вода, в которой в довольно большом количестве растворены соли и газы. Эту воду называют минеральной. Воду минеральных источников используют для лечения разных болезней. Около этих источников возникают лечебницы и курорты. Всемирно известной славой пользуются курорты на Кавказе (Боржоми, Кисловодск и др.).

И др.).

Подземные воды, перемещающиеся под влиянием силы тяжести, называются гравитационными или свободными водами , в отличие от связанных вод (гигроскопические, плёночные, капиллярные и кристаллизационные воды). Слои горных пород, насыщенные гравитационной водой , образуют водоносные горизонты , или пласты , составляющие водоносные комплексы , горные породы которых обладают различной степенью влагоемкости , водопроницаемости и водоотдачи .

Глубина залегания грунтовых вод зависит от географических условий, закономерно изменяющихся от полюсов к экватору. В Европейской части средняя глубина зеркала грунтовых вод постепенно увеличивается с севера на юг (в зоне тундр — близ поверхности, в средней полосе — несколько метров, на юге — несколько десятков метров). Нижняя граница грунтовых вод располагается на глубине более 10-12 км. Водоносные горизонты, залегающие ниже грунтовых вод, отделяются от них пластами водонепроницаемых (водоупорных) или слабопроницаемых пород и называются горизонтами межпластовых вод. Они обычно находятся под гидростатическим давлением (артезианские воды), реже имеют свободную поверхность — безнапорные воды . Область питания межпластовых вод находится в местах выхода водовмещающих пород на дневную поверхность (или в местах их неглубокого залегания); питание происходит также и путём перетекания воды из других водоносных горизонтов.

Подземные воды — природные растворы, содержащие свыше 60 химических элементов (в наибольших количествах — К, Na, Ca, Mg, Fe, Cl, S, С, Si, N, О, Н), а также микроорганизмы (окисляющие и восстанавливающие различные вещества). Как правило, подземные воды насыщены газами (CO 2 , О 2 , N 2 , С 2 H 2 и др.). По степени минерализации подземные воды подразделяют (по ) на пресные (до 1 г/л), солоноватые (от 1 до 10 г/л), солёные (от 10 до 50 г/л) и подземные рассолы (свыше 50 г/л); в более поздних классификациях к подземным рассолам относят воды с минерализацией свыше 36 г/л. В зависимости от температуры (°С) различают: переохлаждённые подземные воды (ниже 0), холодные (от 0 до 20), тёплые (от 20 до 37), горячие (от 37 до 50), весьма горячие (от 50 до 100) и перегретые (свыше 100).

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 гипсовых 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 изменённые 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 ее кристаллизации и при метаморфизме горных пород, называются магматогенными или ювенильными водами .

Один из показателей природной обстановки формирования подземных вод — состав растворённых и свободно выделяющихся газов. Для верхних водоносных горизонтов с окислительной обстановкой характерно присутствие кислорода , азота , для нижних частей разреза , где преобладает восстановительная среда, типичны газы биохимического происхождения (сероводород, метан). В очагах интрузий и термометаморфизма распространены воды, насыщенные углекислым газом (углекислые воды Кавказа , Памира, Забайкалья). У кратеров вулканов встречаются кислые сульфатные воды (т.н. фумарольные термы). Во многих водонапорных системах, которыми являются часто крупные артезианские бассейны , выделяют три зоны, различающиеся степенью интенсивности водообмена с поверхностными водами и составом подземных вод. Верхние и краевые части бассейнов заняты обычно инфильтрационными пресными водами зоны активного водообмена (по Н. К. Игнатовичу) или активной циркуляции. В центральных глубоких частях бассейнов выделяется зона весьма замедленного водообмена или застойного режима, где распространены высокоминерализованные воды. В промежуточной зоне относительно замедленного или затруднённого водообмена развиты смешанные воды различного состава.

Многие качественные и количественные показатели параметров подземных вод (уровня, напора, расходов, химического и газового составов, температуры и др.) подвергаются кратковременным, многолетним и вековым изменениям, которые определяют режим подземных вод. Последний отражает процесс формирования подземных вод во времени и на различных территориях под влиянием естественных (климатических, гидрологических, геологических, гидрогеологических) и техногенных факторов. Наибольшие колебания показателей режима происходят при неглубоком залегании подземных вод.

Закономерности распространения подземных вод зависят от многих геологических и физико-географических особенностей территории. В пределах платформ и краевых прогибов развиты и склоны (на территории CCCP, например, Западносибирский артезианский бассейн, Московский артезианский бассейн , Прибалтийский артезианский бассейн). На платформах в районах поднятий докембрийского кристаллического фундамента (Украинский щит, Анабарский массив и др.) и в горноскладчатых областях развиты подземные воды трещинного типа. Своеобразные гидрогеологические условия, определяющие характер циркуляции и состав подземных вод, создаются в областях развития многолетнемёрзлых горных пород, где формируются надмерзлотные, межмерзлотные и

Подземные воды - воды, находящиеся в толще горных пород верхней части земной коры в жидком, твёрдом и газообразном состоянии.

Классификация

По условиям залегания подземные воды подразделяются на несколько видов: почвенные, грунтовые, межпластовые, артезианские, минеральные.

Почвенные воды заполняют часть промежутков между частицами почвы; они могут быть свободными (гравитационными), перемещающимися под влиянием силы тяжести, или связанными, удерживаемыми молекулярными силами.

Грунтовые воды образуют водоносный горизонт на первом от поверхности водоупорном слое. В связи с неглубоким залеганием от поверхности уровень грунтовых вод испытывает значительные колебания по сезонам года: он то повышается после выпадения осадков или таяния снега, то понижается в засушливое время. В суровые зимы грунтовые воды могут промерзать. Эти воды в большей мере подвержены загрязнению.

Межпластовые воды - нижележащие водоносные горизонты, заключенные между двумя водоупорными слоями. В отличие от грунтовых, уровень межпластовых вод более постоянен и меньше изменяется во времени. Межпластовые воды более чистые, чем грунтовые. Напорные межпластовые воды полностью заполняют водоносный горизонт и находятся под давлением. Напором обладают все воды, заключенные в слоях, залегающих в вогнутых тектонических структурах.

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

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

• поровые - залегают и циркулируют в четвертичных отложениях: 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.).

Запасы подземных вод

Подземные воды - часть водных ресурсов Земли ; общие запасы подземных вод составляют свыше 60 млн км³. Подземные воды рассматриваются как полезное ископаемое. В отличие от других видов полезных ископаемых, запасы подземных вод возобновимы в процессе эксплуатации.

Разведка подземных вод

Для определения наличия подземной воды проводится разведка:

• геоморфологическая оценка местности,
• температурные исследования,
• радоновый метод,
• бурятся опорные скважины с отбором керна,
• изучается керн и определяется относительный геологический возраст пород, их мощность (толщина),
• проводятся опытные откачки, определяются характеристики водоносного горизонта, оформляется инженерно-геологический отчет;
• по нескольким опорным скважинам составляются карты, разрезы, проводится предварительная оценка запасов полезных ископаемых (в данном случае, воды);

Происхождение подземных вод

Подземные воды имеют разное происхождение: одни из них образовались в результате проникновения талых и дождевых вод до первого водоупорного горизонта (то есть до глубины 1,5-2,0 м, которые образуют грунтовые воды, то есть так называемая верховодка); другие занимают более глубокие полости в земле.

Не все подземные воды – грунтовые. Отличие грунтовых вод от других видов подземной воды состоит в условиях их залегания в толще горных пород.

Название «подземные воды» говорит само за себя – это вода, которая находится в под землей, то есть в земной коре, в верхней ее части, причем находиться там она может в любом из своих агрегатных состояний – в виде жидкости, льда или газа.

Основные классы подземных вод

Подземная вода бывает разная. перечисли основные виды подземных вод.

Почвенная вода

Почвенная вода содержится в почве, заполняя промежутки между ее частицами, или поровое пространство. Почвенная вода может быть свободной (гравитационной) и подчиняться только силе тяжести, и связанной, то есть удерживаться силами молекулярного притяжения.

Грунтовая вода

Грунтовая вода и ее подвид, называемый верховодкой – это ближайший к поверхности земли водоносный горизонт, залегающий на первом водоупоре. (Водоупор, или водоупорный слой грунта - это почвенный слой, который практически не пропускает воду. Фильтрация сквозь водоупор или очень низкая, или же слой полностью водонепроницаем – например, толщи скальных грунтов). Грунтовая вода крайне непостоянна по многим факторам, и именно грунтовая вода влияет на условия строительства, диктует выбор фундамента и технологии при проектировании сооружений. Дальнейшая эксплуатация созданных руками человека построек также находится под неустанным влиянием меняющегося поведения грунтовой воды.

Межпластовая вода

Межпластовая вода – находится ниже грунтовой воды, под первым водоупором. Эта вода ограничена двумя водоупорными слоями и может находиться между ними под значительным давлением, заполняя водоносный горизонт полностью. Отличается от грунтовой воды большим постоянством своего уровня, и конечно, большей чистотой, причем чистота межпластовой воды может быть следствием не только фильтрации.

Артезианская вода

Артезианская вода – так же, как и межпластовая, заключена между слоями водоупоров и находится там под давлением, то есть относится к напорным водам. Глубина залегания артезианских вод – примерно от ста до тысячи метров. Различные геологические подземные структуры, мульды, впадины и т.п., располагают к образованию подземных озер – артезианских бассейнов. Когда такой бассейн вскрывается при бурении шурфов или скважин, артезианская вода под давлением поднимается выше своего водоносного пласта и может дать очень мощный фонтан.

Минеральная вода

Минеральная вода - интересна для строителя, наверное, только в одном случае, если ее источник окажется на участке, хотя и не вся эта вода полезна для человека. Минеральная вода – это вода, содержащая растворы солей, биологически активных веществ и микроэлементы. Состав минеральной воды, ее физика и химия - очень сложный, это система коллоидов и связанных и несвязанных газов, и вещества в этой системе могут находится как недиссоциированными, в виде молекул, так и в виде ионов.

Грунтовые воды

Грунтовые воды – это первый от поверхности почвы постоянный водоносный горизонт, находящийся на первом водоупоре. Поэтому поверхность этого слоя – свободна, за редкими исключениями. Иногда над потоками грунтовых вод встречаются участки плотных пород – водонепроницаемая кровля.

Залегают грунтовые воды недалеко от поверхности, и поэтому очень зависят от погоды на поверхности земли – от количества атмосферных осадков, движения поверхностных вод, уровня водоемов, все эти факторы влияют на питание подземной воды. Особенность и отличие грунтовой воды от других видов – она безнапорная. Верховодка, или скопления воды верхнего водонасыщенного грунтового слоя над водоупорами из глин и суглинков с малой фильтрацией – это разновидность грунтовой воды, проявляющаяся временно, по сезонам.

На грунтовую воду и непостоянство ее состава, поведения и мощности горизонта влияют как природные факторы, так и деятельность человека. Горизонт грунтовой воды непостоянный, он зависит от свойств горных пород и их водосодержания, близости водоемов и рек, климата местности – температуры и влажности, связанных с испарением и т. далее.

Но серьезное и все более опасное влияние на грунтовую воду оказывает человеческая деятельность – мелиорация и гидротехническое строительство, подземные работы по добыче полезных ископаемых, нефти и газа. Не менее результативной в контексте опасности стала агротехника с применением минеральных удобрений, пестицидов и ядохимикатов, и конечно, промышленные стоки.

Грунтовая вода очень доступна, и если роют колодец или бурят скважину – то в большинстве случаев получают именно грунтовую воду. И свойства ее могут оказаться весьма негативны, поскольку эта водичка зависит от чистоты почвы и служит ее показателем. Все заражения от канализационных протечек, свалок, пестициды с полей, нефтепродукты и прочие результаты деятельности человека попадают в грунтовые воды.

Грунтовая вода и проблемы для строителей

Морозное пучение грунтов находится в прямой и непосредственной зависимости от присутствия грунтовой воды. Разрушения от сил морозного пучения могут быть огромны. При замерзании глинистые и суглинистые грунты получают питание в том числе и от нижнего водоносного горизонта, и в результате этого подсоса могут образовывать целые прослойки из льда.

Давление на подземные части сооружений может достигать огромных величин – 200 Мпа, или 3,2 тн/см2 далеко не предел. Сезонные подвижки грунтов на десятки сантиметров нередки. Возможные последствия действия сил морозного пучения, если их не предусмотрели или учли недостаточно, могут быть: выталкивание фундаментов из земли, затопление подвалов, разрушение дорожных покрытий, затопление и размывание траншей и котлованов и много еще разного негатива.

Кроме физического влияния, грунтовые воды способны разрушать фундаменты и химически, все зависит от степени их агрессивности. При проектировании эта агрессивность исследуется, проводятся как геологические, так и гидрологические изыскания.

Влияние грунтовых вод на бетон

Агрессивность грунтовых вод к бетону различают по типам, рассмотрим их ниже.

По общекислотному показателю

При водородном числе рН менее 4 агрессивность к бетону считают наибольшей, при значении рН более 6,5 – наименьшей. Но малая агрессивность воды вовсе не отменяет необходимости защиты бетона устройством гидроизоляции. Кроме того, имеется сильная зависимость влияния агрессии воды от видов бетона и его вяжущего, в том числе от марки цемента.

Выщелачивающие, магнезиальные и углекислотные воды

Все так или иначе разрушают бетон или способствуют процессу разрушения.

Сульфатные воды

Сульфатные воды относят к наиболее агрессивным к бетону. Ионы сульфатов проникают в бетон и реагируют с соединениями кальция. Образующиеся кристаллогидраты вызывают вспучивание и разрушение бетона.

Методы минимизации рисков от грунтовых вод

Но даже в тех случаях, когда имеется информация о неагрессивности грунтовых вод к бетону в данной местности, отмена устройства гидроизоляции подземных частей здания чревата хорошим уменьшением срока службы бетонных конструкций. Слишком большое влияние оказывают на природу, в том числе грунтовую воду и степень ее агрессии техногенные факторы. Возможность близкого строительства – это одна из причин подвижек грунта и как следствие, изменения поведения грунтовых вод. А химия и ее «накопление», в свою очередь, находится в прямой зависимости от близости сельскохозяйственных угодий.

Учет уровня грунтовых вод, а также сезонных изменений этого уровня – для частной стройки архиважен. Высокая грунтовая вода - это ограничение в выборе. От нее зависит если не вся, то огромная доля экономики индивидуального строителя. Без учета поведения и высоты грунтовой воды нельзя выбирать тип фундамента для дома, принимать решения о возможности устройства подвала и подвального помещения, устраивать погреба и канализационный септик. Дорожки, площадки и все благоустройство участка, включая и озеленение, также требуют на стадии проектирования серьезнейшего учета влияния грунтовой воды. Дело осложняется тем, что ее поведение находится в тесной связи со структурой и видами грунтов на участке. Воду и грунты надо изучать и рассматривать в комплексе.

Верховодка, как разновидность грунтовой воды, может создавать огромные проблемы, и не всегда сезонные. Если у вас песчаные грунты, а дом построен на высоком берегу реки, то сезонных верховодок вы можете и не заметить, вода уйдет быстро. Но если рядом озеро или река, и дом стоит на низком берегу, то даже при наличии песочка в основании участка вы будете на одном уровне с водоемом – как сообщающиеся сосуды, и в этом случае борьба с верховодкой вряд ли будет успешной, как и любая борьба с природой.

В случае, когда грунт – не песок, водоемы и реки далеко, но грунтовая вода очень высокая, ваш вариант – это создание эффективной дренажной системы. Каким будет ваш дренаж - кольцевым, пристенным, пластовым, самотечным или с использованием откачивающих насосов, решается индивидуально, и учесть надо многие факторы. Для этого надо иметь информацию о геологии участка.

В некоторых случаях дренаж не поможет, например, если вы находитесь в низине, а мелиорационного канала поблизости нет и воду отводить некуда. Также не всегда под первым водонесущим слоем оказывается безнапорный слой, в который возможно отвести верховодку, эффект от бурения скважины может быть и обратный – вы получите ключ или фонтан. В случаях, когда устройство дренажа не принесет результата, прибегают к устройству искусственных насыпей. Поднять участок на уровень, где грунтовые воды не достанут вас и ваш фундамент - затратное экономически, но иногда единственно верное решение. Каждый случай индивидуален, и решения хозяин принимает исходя из гидрогеологии своего участка.

Но в очень многих случаях вопрос решается именно дренажом, и важно правильно выбрать его систему и грамотно организовать водоотвод.

Узнать уровень грунтовой воды у себя на участке и отслеживать его изменения – с этими вопросами владельцы индивидуальных участков справляются самостоятельно. Весной и осенью обычно УГВ выше, чем зимой и летом, это связано с интенсивным снеготаянием, сезонностью атмосферных осадков, возможно с затяжными дождями в осенний период. Узнать уровень грунтовой воды можно, измерив его в колодце, шурфе или скважине, от водяного зеркала до поверхности грунта. Если пробить несколько скважин у себя на участке, по его границам, то несложно отследить сезонные изменения УГВ, а на полученных данных возможно принимать решения по строительству - начиная от выбора фундамента и систем водоотвода, и заканчивая планированием огородных посадок, разбивки сада, благоустройством, а также разработкой ландшафтного дизайна.