Разбираем вопрос

Температура подземных вод

Грунтовые воды и неглубоко залегающие межпластовые воды испытывают сезонные колебания температуры. Воды, залегающие на уровне пояса постоянных температур, сохраняют неизменную температуру в течение всего года, равную среднегодовой температуре местности. Там, где средние годовые температуры отрицательные, вода в поясе постоянных температур круглый год находится в виде льда, Так образуется многолетняя мерзлота («вечная мерзлота»). В районах, где среднегодовая температура положительная, подземные воды пояса постоянных температур, наоборот, не замерзают даже зимой. Воды, циркулирующие ниже пояса постоянной температуры, нагреты выше среднегодовой температуры местности и за счёт эндогенного тепла. Температура вод в данном случае определяется величиной геотермического градиента и достигает максимальных значений в областях современного вулканизма (Камчатка, Исландия и др.), в зонах срединно-океанических хребтов достигая температур 300-400С.

Популярные способы поиска воды на участке

При желании поиск воды под скважину можно осуществить несколькими способами. Самые распространенные из них:

Использование глиняной посуды

Старинный метод определения присутствия воды предполагал использование глиняного горшка. Его сушили на солнце, затем переворачивали и устанавливали на землю над местом предполагаемого залегания водной жилы. Через некоторое время посуда запотевала изнутри, если под ней действительно располагалась вода. Сегодня этот способ несколько усовершенствован.

Нужно взять литр или два силикагеля, который является отличным влагопоглотителем. Его тщательно просушивают в духовке и насыпают в глиняный горшок. После чего посуду с гелем взвешивают на точных весах, лучше аптекарских. Затем заворачивают в ткань и закапывают на глубину примерно полметра в месте, где предполагается бурить скважину. Оставляют там на сутки, затем выкапывают и снова тщательно взвешивают.

Ни один и ни два водоносных пласта уже были найдены с помощью силикагеля

Чем больше влаги впиталось в гель, тем ближе вода. Можно на начальном этапе закопать несколько горшков и выбрать место с наиболее интенсивной отдачей воды. Вместо силикагеля может быть использован обычный кирпич, который так же просушивается и взвешивается.

Наблюдения — где растут растения?

Некоторые растения являются отличными индикаторами, указывающими на подземный водоем.

Растения подскажут, есть ли на участке вода

Например, береза, растущая над водотоком, будет небольшой высоты с узловатым, искривленным стволом. Ветви дерева, расположенные над ним, будут образовывать так называемые «ведьмины метелки». Близко расположенную к поверхности воду покажут заросли мокрицы, невысокого травянистого растения. Гравилат речной прямо указывает на расположенный под ним водоток. А вот сосна, с ее длинным стержневым корнем, говорит об обратном – на этом месте вода располагается достаточно глубоко.

Определение по перепаду высот

Этот метод можно использовать только в том случае, если неподалеку находится любой водоем или колодец. Понадобится обычный барометр-анероид, при помощи которого будет замеряться давление. Исходя из того, что на каждые 13 м перепада высот давление упадет примерно на 1 мм ртутного столба, можно попытаться определить глубину залегания подземных вод. Для этого нужно измерить давление в месте предполагаемой скважины и на берегу водоема. Перепад давления величиной, около половины мм рт. ст. свидетельствует, что глубина залегания водоносного пласта – 6 или 7 метров.

Наблюдения за природными явлениями

Почва, насыщенная подземной влагой, обязательно будет испарять ее

Ранним утром или вечером в конце очень жаркого летнего дня стоит обратить внимание на участок, где предполагается обустраивать скважину

Если над ним образовывается туман – вода там есть. Лучше всего если туман поднимается столбом или клубится, значит, влаги много и она достаточно близко. Так же следует знать, что водоупорные слои обычно повторяют рельеф местности. Таким образом, в котловинах и естественных впадинах, окруженных возвышенностями, вода обязательно будет. А вот на склонах и равнинах ее может и не быть.

Минерализация подземных вод

Для оценки качества воды проводят некоторое число полных химических анализов, состав которых зависит от назначения воды. В массовом количестве проводят сокращенные химические анализы с определением содержания трех анионов Cl, SO₄, НСO₃ и трех катионов Са, Mg и Na + К. При этом устанавливают физические свойства, количество свободной и агрессивной углекислоты, жесткость и общую минерализацию.

Химический состав воды выражается в ионной форме количеством того или иного иона в миллиграммах на литр воды, а также в миллиграмм-эквивалентной. Для перевода в миллиграмм-эквивалентную форму надо количество ионов каждого элемента (в мг/л) разделить на его эквивалентную массу (атомная масса элемента, деленная на его валентность). Так, 460 мг/л Na соответствует 460:23 = 20 молям Na, а 240 мг/л SO₄ составляет 240:8 = 5 молей SO₄.

По преобладающему аниону воды делятся на следующие основные классы: гидрокарбонатные, сульфатные, хлоридные и сложного состава. Каждый класс подразделяется по преобладающему катиону на подклассы: натриевые, кальциевые, магниевые или смешанные (натриево-кальциевыеи т. п.).

Общая минерализация воды выражается суммой содержащихся в ней химических элементов, их соединений и газов. Она оценивается по сухому, или плотному, остатку, который получается после выпаривания воды при температуре 105–110°С и выражается в миллиграммах или граммах на литр.

По степени минерализации (в г/л) воды разделяются на: 

• пресные < 1; 
• слабосолоноватые 1–3; 
• сильносолоноватые 3–10; 
• соленые 10–35;
• рассолы >35.

Жесткость воды — особое ее качество, обусловленное присутствием ионов Са и Mg. Жесткость подземных вод во многом определяет возможность их практического использования.

Жесткая вода плохо взмыливается, дает накипь на стенках паровых котлов (что уменьшает их теплопроводность, приводит к перерасходу топлива и может вызвать аварию) и посуды, вспенивается, в жесткой воде медленнее развариваются овощи, мясо, крупа и другие продукты.

Различают общую жесткость, обусловленную содержанием в воде всех солей кальция и магния: Са(НСO₃)₂, Mg(HCO₃)₂, CaSO₄, MgSO₄, СаСl₂, MgCl₂; карбонатную, или временную, обусловленную наличием в воде бикарбонатов (солей НСO₃) кальция и магния, удаляемых при кипячении вследствие их разрушения и перехода в слаборастворимые карбонаты, выпадающие в осадок; некарбонатную, или постоянную, остающуюся в воде после удаления бикарбонатов и равную разности общей и карбонатной жесткости.

Согласно ГОСТ 2874–82 жесткость воды выражают в миллиграмм-эквивалентах Са и Mg на 1 л воды; 1 мг-экв/л соответствует содержанию 20,04 мг/л Са или 12,16 мг/л Mg.

Жесткость природных вод колеблется от нескольких до десятков миллиграмм-эквивалентов; в одном и том же источнике жесткость в разные времена года различная. При жесткости менее 3 мг-экв/л воду называют мягкой, при 3–6 мг-экв/л — умеренно жесткой, при 6–9 мг-экв/л — жесткой, а при более 9 мг-экв/л — очень жесткой.

Посадка плодовых деревьев

Если вышеперечисленные способы не помогли определить наличие водных жил и уровень их залегания, можно воспользоваться еще одним, но более трудоемким, способом. Для этого в июне необходимо выкопать яму не менее 1,5 метра глубиной. Если на ее дне не появится вода, значит, грунтовые воды располагаются достаточно глубоко и не смогут причинить вред растениям. Этот способ проверки особенно необходим, если планируется высадка плодовых деревьев.

Ведь на участке, где грунтовые воды подходят близко к поверхности, плодовые деревья растут всего несколько лет, а потом без видимой причины вдруг начинают чахнуть и засыхать. А все дело в том, что разросшимся корням не хватает кислорода. Так, для семечковых пород, таких как груша и яблоня, глубина залегания грунтовых вод должна быть не менее 2-2,5 метров. Для косточковых – вишни и сливы, эта цифра колеблется от 1,5 до 2 метров.

По этой причине некоторые садоводы отказались от посадки сильнорослых черешен, вишен и яблонь, заменив их деревьями на клоновых подвоях, корневая система которых не достигает поверхности грунтовых вод. Некоторые садоводы высадили на участках малину и смородину, ведь их корни также распространяются не очень глубоко. Можно последовать их примеру, но лучше высаживать деревья на холмиках до 0,5 метра высотой или на буграх высотой до 1 метра.

Кроме того, можно немного осушить участок, высадив по его периметру живую изгородь из шиповника, спиреи, боярышника, ивы, бузины, облепихи или ирги.

Сильно заболоченный участок поможет осушить система открытых магистральных канав, вырытая по его периметру. Каждая канава должна иметь глубину  и ширину до 40 сантиметров. Специальные ямы шириной 50 и глубиной 80 сантиметров, выкопанные в наиболее низких местах участка, также помогут снизить уровень грунтовых вод. Обычный колодец глубиной не менее 2 метров работает аналогичным образом.

2012 — 2017, Сажаем Сад. Все права защищены.

Применение знаний о классах на практике

Принадлежность подземных вод к определенным видам нескольких разных классификаций определяет возможность их использования в той или иной сфере деятельности:

1. Питьевые. Пригодная для питья вода – необходимый для существования человечества ресурс. Основные ее источники находятся именно под землей. Их использование для любой другой цели недопустимо. Чаще всего такие воды накапливаются максимум в 20-30 м от поверхности, в области активного водообмена. Но есть и районы, где их приходится добывать с больших глубин (от 300 м).
2. Промышленные. Содержат йод, бром, иные микроэлементы в концентрации, имеющей промышленное значение. По типу они относятся к хлоридно-натриевым, концентрируются в области медленного водообмена, для них типичен высокий уровень минерализации (500-600 г/л), температура 60-80°С.

   Их добыча для извлечения брома и йода финансово оправданна только при глубине залегания 3 км и менее, уровне в скважине от 200-600 м и ежесуточном объеме извлекаемой воды 200-500 м³.

3. Технические. Применяются для обеспечения нужд сельского хозяйства и разных отраслей промышленности.

   В зависимости от конкретной области использования требования к составу и уровню жесткости варьируются.

   Например, для производства сахара необходима минимальная минерализация, для пивоварения – отсутствие сульфата кальция, для текстильной и бумажной промышленности – отсутствие железа, марганца, кремниевой кислоты.

4. Минеральные. Биологически активные воды, использующиеся для лечения некоторых заболеваний. Как альтернатива питьевой воде они не используются. Во-первых, вкус слишком специфический, во-вторых, при регулярном употреблении микроэлементы накапливаются в организме, обеспечивая противоположный лечебному эффект.
5. Термальные. Используются в энергетике для отопления некоторых городов и объектов сельского хозяйства.

Использование подземных вод в промышленности возможно только с разрешения природоохранных органов и при соблюдении двух условий.

Во-первых, должны отсутствовать пригодные для этого поверхностные воды. Во-вторых, необходимо наличие запасов подземных вод, которого хватит для обеспечения питьевой водой населения данного региона.

Классификация подземных вод по залеганию и их динамика

Переходя к рассмотрению особенностей залегания и динамики подземных вод необходимо отметить, что горные породы существенно различаются по водопроницаемости. Водопроницаемость определяется пористостью (или трещиноватостью) пород (являющейся отношением объёма всех пор к объёму породы), размером пор или трещин, их связью между собой. Наибольшая водопроницаемость присуща крупнообломочным рыхлым породам (галечникам, гравию), а также сильно трещиноватым породам независимо от их происхождения. Слои горных пород, насыщенные гравитационной водой, образуют водоносные горизонты. В зависимости от характера пустот в водоносных горизонтах подземные воды делятся на следующие разновидности:

• поровые — заполняющие пространство между частицами рыхлых пористых обломочных пород (песков, галечников);
• трещинные — залегающие в трещинах массивных скальных пород (кристаллические породы, песчаники, массивные известняки);
• карстовые (трещинно-карстовые) — залегающие в пустотах и полостях, образованных в результате растворения пород (присутствуют в растворимых породах — солях, гипсах, известняках, доломитах).

Водопроницаемость снижается по мере уменьшения размера частиц, уплотнения и цементации породы, уменьшения степени её трещиноватости. Практически водонепрницаемыми — водоупоными горизонтами — являются нетрещиноватые массивные породы и глины. Необходимо отметить, что пористость глин может достигать очень высоких значений (до 60% общего объёма породы), однако, ввиду тонкодисперсности породы, поры между слагающими её частицами имеют капиллярный характер и вода в них удерживается силами поверхностного натяжения, не фильтруясь через породу.

По условиям залегания, питания и движения среди подземных вод выделяются несколько разновидностей.

Наиболее близко к поверхности располагаются почвенные воды, образующиеся за счёт увлажнения почв атмосферными осадками и конденсации влаги из воздуха. Это воды висячие, не подстилаемые водоупорными горизонтами. Они имеют большое значение в питании растений и процессах выветривания содержащихся в почве минералов, но хозяйственного значения не имеют.

Ниже зоны почвенных вод располагается толща практически сухих пород, содержащих в небольших количествах плёночную воду. Если в этой толще имеются прослои или линзы водоупоров, то в периоды обильной инфильтрации (просачивания) атмосферных и поверхностных вод (периоды дождей, таяния снега, половодий и пр.) над ними происходит образование временных скоплений гравитационных вод. Мощность пород, насыщенных такими водами не превышает обычно 1 м. Эти временные водоносные горизонты называются верховодки.

Первый от поверхности Земли постоянно существующий в пределах рассматриваемой территории водоносный горизонт называется горизонтом грунтовых вод. Верхняя граница зоны постоянного насыщения пород грунтовыми водами носит название зеркала (или уровня) грунтовых вод. Питание грунтовых вод осуществляется за счет инфильтрации атмосферных осадков, талых вод, вод поверхностных водоёмов. Мощность водоносного горизонта непостоянна и изменяется как по площади (в зависимости от рельефа), так и во времени (в зависимости от количества атмосферных осадков, режима водоёмов). Колебание уровня грунтовых вод во времени определяет наличие так называемой зоны периодического насыщения, находящейся непосредственно над зоной постоянного насыщения и являющейся водоносной в периоды повышения уровня грунтовых вод.

Водоносные горизонты, залегающие ниже горизонта грунтовых вод, разделяющиеся пластами водоупорных пород называются межпластовыми водами. Последние, в свою очередь, разделяются на межпластовые безнапорные и межпластовые напорные (или артезианские) воды.

Таким образом, по условиям залегания можно выделить две главные зоны распространения подземных вод – зону аэрации и зону насыщения. Зона аэрации — пространство от поверхности Земли до зеркала грунтовых вод, в котором происходит инфильтрация вод с поверхности. К водам зона аэрации относятся почвенные воды и верховодки. Зона насыщения – пространство ниже зеркала грунтовых вод, где находятся постоянно действующие водоносные горизонты. К водам зоны насыщения относятся грунтовые и межпластовые воды.

Видеоролик о залегании и особенностях состава подземных вод («Водоканал», г.Санкт-Петербург)

Чем грунтовые воды отличаются от межпластовых

Земля накапливает и удерживает в пустотах и расщелинах подземные воды, пополняющие пресные водоемы, их накопления являются жизненно необходимыми для снабжения водой городов и сел.

Основные ресурсы пополнения подземных пресных бассейнов :

• Талые воды.
• Осадки.
• Реки.

Подземные бассейны рассматривают, как грунтовые и межпластовые.Места формирования пластов грунтовых вод:

• Области ледниковых шельфов.
• Междуречные массивы.
• Речные долины.
• Котловины и впадины в горах.
• Песчано-галечные слои рек, протекающих в горах.

Чем отличаются грунтовые источники от межпластовых

Поверхность земли составляют водоустойчивые и водопроницаемые осадочные породы, чередующиеся между собой и залегающие неравномерно, изгибами, горизонтально или вертикально.

Вода, просачивающаяся через водопроницаемую породу, например, песок, стекает на слой глины и скапливается там, образуя слой грунтовых вод, не закрытый сверху водонепроницаемой осадочной породой.

Медленнотекущие, просачивающиеся сквозь поры грунтовые воды образуют родники и пополняют колодцы.

Межпластовые слои воды накапливаются по-другому, медленно и долго, так как проникают в водонепроницаемые слои в местах, где плотный грунт выходит на поверхность. Чтобы добыть воду, залегающую в непроницаемых слоях, бурят скважины, через которые вода вытекает под напором. Межпластовые источники влаги залегают глубже, чем грунтовые и меньше подвержены загрязнению.

Межпластовые водоносные слои более постоянны и менее подвержены изменениям, чем грунтовые, они являются ценным источником питьевой артезианской воды, в особенности там, где они выбиваются на поверхность, образуя природные родники, вода из которых считается целебной.

Уровни грунтовых вод

Скапливающаяся возле водоемов, под поверхностью земли, масса грунтовых вод образует так называемое зеркало или уровень. В дождливых горных районах с большим количеством осадков грунтовые воды близки к поверхности, в засушливых регионах, с малым количеством осадков и сильными испарениями, водоносные слои достаточно глубоко.

Ценным источником воды являются линзы, залегающие в слоях аэрации, выше основного водоносного слоя. Их основной недостаток – они легко загрязняются и требуют очистки.

Линзы скапливаются на песке или гравии, если при раскопке колодца нарушить этот слой, вся линза стечет вниз, и источник станет недоступным. Определение уровня грунтовых вод производят весной, замеряя его в пробных скважинах или колодцах.

Залегание межпластовых источников чистой воды

Глубина залегания водоносного источника напорного или безнапорного может находиться на уровне десяти метров или глубже.

Напорные воды образуются в прогибах коры или в пластах залегания горных пород, они наполняют скважины под давлением, иногда бьют фонтаном.

Безнапорные слои более чистые и имеющие качественный химический состав найти тяжело, но именно безнапорные воды идеально подходят в качестве воды для хозяйственных целей.

Напорные воды, доступные для подачи в скважины, называют артезианские, они имеют постоянный химический и минеральный состав.

Защищенные плотными слоями сверху и снизу артезианские источники, являющиеся полезными ископаемыми, не загрязнены бактериями и микробами, поэтому воду можно употреблять без предварительной очистки.

Выявленные в межгрунтовых водах вредные примеси и микроорганизмы говорят о факте загрязнения грунтовыми водами.

Прорывая слои грунта артезианская вода, может вытекать на поверхность, образуя источники питьевой воды, без примесей и совершенно чистые в гигиеническом плане.

Межпластовые напорные воды в большом объеме имеют название артезианские бассейны. Вода из них используется для технических и бытовых целей.

Строение артезианского бассейна:

• Область поступления воды.
• Напорная часть.
• Сток.

Различия межпластовых и грунтовых вод

Исходя из характеристик подземных водоносных слоев, получаем ответ на вопрос: в чем отличие межпластовых и грунтовых вод.

Основная разница между межпластовыми водами и грунтовыми:

1. Глубина залегания.
2. Устойчивость минерального состава.
3. Чистота.
4. Пригодность для питья и приготовления пищи.
5. Низкая температура.
6. Скорость перемещения.
7. Неизменный уровень.
8. Минерализация.

Отличие важное для жизнедеятельности человечества: межпластовые воды являются ценным источником минерализованной, питьевой воды, не требующей дополнительной очистки

Какие существуют теории происхождения?

Первые две теории происхождения грунтовых вод (инфильтрация и конденсация) – основные способы образования водоносных слоев. Они ещё называются вандозными водами (от лат. слова «двигаться»).

Справка! Вод другого типа достаточно мало, или они не встречаются в чистом виде.

Инфильтрационная

Влага из водоёмов и осадки просачиваются в грунт, накапливаются и насыщают пористые породы. Так во время дождей колодезная вода прибывает и изменяет химический состав. Это одна из наиболее распространённых причин образования подземных потоков.

Конденсационная

Ученые, продвигавшие эту теорию, объяснили, как появляются подземные воды в засушливых местностях:

Теория О. Фольгера

Теплый воздух, содержащий водяной пар, отдает холодным слоям земли часть влаги путем конденсации.

Такую теорию ученый выдвинул в 1877 году и сразу отринул другие возможности формирования подземных источников.

С этой конденсационной версией не согласились многие ученые, она противоречила законам о скорости воздухообмена.

Слишком уж быстро по теории Фольгера происходит этот процесс.

Теория А. Ф. Лебедева

Российский ученый обнаружил равновесие в водном режиме литосферы и воздуха. Водяной пар содержится в воздухе, который заполняет трещины в горных породах. Основное положение его теории гласит, что пар перемещается в пространстве от более к менее упругим местам.

Летом упругость водяного пара в атмосфере превышает его упругость в слоях земли, поэтому пар постоянно проникает в почву до отметки с устоявшейся температурой. Это от одного до нескольких десятков метров глубины.

В почве с низкой температурой пар сгущается и конденсируется, переходит в жидкое состояние, как роса по утрам. Таким образом, даже в пустынях на глубине нескольких метров текут подземные воды.

В отличие от Фольгера, Лебедев не отрицал другие теории формирования грунтовых вод вроде инфильтрации.

Седиментогенная

Иначе такие воды называют погребенными или реликтовыми, от слова «остаточный».

Из осадочных пород формируются соленые потоки с высоким содержанием минералов. Они лежат на глубине в несколько километров и защищены водоупорными слоями грунта.

Такие породы возникли из-за большого количества осадочных слоев в океанах, в которых сохранились примеси морских вод. В течение времени они изменились в химическом составе из-за высокой температуры и давления.

Интересно! По мере развития всей литосферы седиментогенные воды могут смешиваться с другими или быть вытесненными инфильтрационными водами.

Магмогенная, «ювенильная»

В районах, где замечена сейсмическая активность, образуются «девственные» воды. Их температура высока, а химический набор элементов отличается от других. В магмогенных протоках много солей и летучих компонентов.

Справка! Магмогенные воды почти не встречаются в чистом виде, они в большинстве своем смешиваются с другими типами.

Искусственная

Человек может создать водоносный слой при помощи строительства гидротехнических сооружений. Например, оросительных каналов: в песчаных почвах вода идёт не только на полив растений, но и на испарение и фильтрацию в грунт.

Метаморфогенная

«Возрожденные» воды образуются из минеральных пород.

Давление и температура способствует процессу дегидратации – вода отщепляется от хим. соединений, в которых она изначально присутствовала.

Занимает такой процесс долгое время, а получившиеся метаморфогенные потоки почти сразу смешиваются с другими типами.