Тема 6

Вода в земній корі. Фізичні властивості та хімічний склад підземних вод. класифікація підземних вод.

 

Води, що перебувають у верхній частині земної кори та які залягають нижче поверхні землі, називають підземними. Підземні води – один з найважливіших компонентів геологічного середовища. Дослідженням підземних вод займається гідрогеологія.

Інженер-будівельник повинен мати досить повне уявлення про підземні води для того, щоб у контакті з гідрогеологами раціонально використовувати підземні води для водопостачання. У порівнянні з поверхневими водами (ріки, озера, водоймища) підземні води володіють, як правило, більш високою якістю, не вимагають дорогого очищення, краще захищені від поверхневих забруднень.

Однак підземні води не тільки найцінніше джерело водопостачання, але й фактор, що значно ускладнює будівництво. Особливо складним є проведення земляних і гірських робіт в умовах припливу підземних вод, що затоплюють котловани, кар'єри, траншеї. Підземні води погіршують механічні властивості пухких, особливо глинистих порід, можуть бути агресивним середовищем для металевих і бетонних споруд, сприяють розвитку несприятливих геологічних процесів (підтоплення, зсуви, прориви пливунних пісків та ін.). Тому в процесі інженерно-геологічних досліджень вивченню підземних вод приділяють особливу увагу.

 

6.1. Вода в земні корі

6.1.1. Кругообіг води в природі та інтенсивність водообміну підземних вод

У природі поширені атмосферні (дощ, хмари, туман), поверхневі (океан, морячи, ріки) і підземні води. Єдність вод на Землі проявляється в ході їхнього кругообігу.

Розрізняють великий, малий і внутрішній (місцевий) кругообіг води. При великому кругообізі волога, що випарувалася з поверхні Світового океану, переноситься на сушу, де випадає у вигляді опадів, які знову вертаються в океан у вигляді поверхневого й підземного стоку. Малий кругообіг характеризується випаром вологи з поверхні океану й випаданням її у вигляді опадів на ту ж водну поверхню. У ході внутрішнього кругообігу волога, що випарувалася з поверхні суші знову попадає на сушу у вигляді атмосферних опадів (рис. 6.1).

 

Рис. 6.1. Кругообіг води в природі :1 – льодовики; 2 – озера; 3 – зрошення; 4 – ґрунтові води; 5 – атмосферні опади; 6 – випаровування і транспірація; В – верховодка

 

Інтенсивність водообміну підземних вод. У процесі кругообігу води в природі відбувається постійне поновлення природних вод, у тому числі й підземних. Процес, коли вода, що накопичилася раніше змінюється водою, що знову надійшла називають водообміном.

Інтенсивність водообміна підземних вод різна й залежить від глибини їхнього залягання. У верхній частині земної кори виділяють наступні вертикальні зони:

1)     зона інтенсивного водообміну (води переважно прісні) розташована в верхній частині земної кори до глибини 300 – 400 м, іноді більше. Підземні води цієї зони дренуються ріками; у масштабі геологічного часу – це води молоді; водообмін здійснюється за десятки й тисячі років;

2)     зона уповільненого водообміну (води солонуваті та солоні), займає проміжне положення й розташовується до глибини 600 – 2000 м. Відновлення вод у процесі кругообігу відбувається протягом сотень тисяч років;

3)     зона досить уповільненого водообміну (води типу розсолів) приурочена до глибоких зон земної кори й повністю ізольована від поверхневих вод й атмосферних опадів. Водообмін – протягом сотень мільйонів років.

Найбільше значення для водопостачання мають підземні води, що циркулюють у зоні інтенсивного водообміну. Постійно поповнюючись атмосферними опадами й водами поверхневих водойм, вони, як правило, відрізняються значними запасами й високою якістю. Води двох нижніх зон, розташованих до глибини 10 – 15 км, практично в процесі кругобігу не відновляються, запаси їх не поповнюються.

Нижче глибини 10-15 км вода приблизно перебуває в пароподібному стані.

 

6.1.2. Походження підземних вод

Існують дві основні теорії походження підземних вод: інфільтраційна й конденсаційна.

Інфільтраційна теорія пояснює утворення підземних вод просочуванням (інфільтрацією) у глиб Землі атмосферних опадів і поверхневих вод. Просочуючись по великих тріщинах і порах, вода затримується на водонепроникних шарах і дає початок підземним водам. Процес інфільтрації атмосферних опадів досить складний.

Живлення підземних вод інфільтраційним шляхом мінливе в часі й визначається природними умовами району: рельєфом, водопроникністю порід, рослинним покривом, діяльністю людини й т.ін.

Для визначення величини інфільтраційного живлення (Q_і.ж.) необхідно знати інтенсивність інфільтрації атмосферних опадів (Q_інф) і випаровування (O_в).

При зниженні рівня підземних вод випаровування з їхньої поверхні зменшується, а на деякій глибині стає рівним нулю. У цих умовах величина інфільтраційного живлення підземних вод зростає.

Конденсаційна теорія припускає виникнення підземних вод у зв'язку з конденсацією водяних парів, які проникають в пори й тріщини з атмосфери. У цей час ці дві теорії не протиставляються, а взаємно доповнюють одна одну. Численні експериментальні дослідження показали, що атмосферна вода може проникати в гірські породи, як у крапельно-рідкому стані, так і у вигляді пари (у менших кількостях).

Інфільтраційний шлях утворення підземних вод є основним для підземних вод, що залягають у зоні активного водообміну, у районах з досить високою кількістю атмосферних опадів. У районах з невеликою їхньою кількістю (пустелі, сухі степи) роль конденсації водяних парів в утворенні й живленні підземних вод істотно зростає.

Мінералізовані (солоні) води глибоких зон земної кори, що перебувають у зоні уповільненого й досить уповільненого водообміну, мають седиментаційне походження. Ці води утворились після відкладення (седиментації) древніх морських відкладів і наступного віджимання з них води внаслідок ущільнення порід.

 

6.1.3. Водні властивості гірських порід

Найважливішими властивостями гірських порід стосовно води є вологоємність, водовіддача й водопроникність. Показники цих властивостей використовуються при різних гідрогеологічних розрахунках.

Вологоємність характеризує здатність порід вміщати й утримувати певну кількість води. За ступенем вологоємності породи поділяють на вологоємні (торф, глини, суглинки), слабовологоємні (крейда, мергель, супіски) і невологоємні (скельні ґрунти, піски, галька).

Залежно від виду й кількості води в породах розрізняють: гігроскопічну, молекулярну, капілярну й повну вологоємності.

Гігроскопічна вологоємність (W_г) визначає здатність породи притягати з повітря пароподібну вологу й відповідає кількості міцно зв'язаної (гігроскопічної) води.

Максимально-молекулярна вологоємність (W_ммв) відповідає максимальній кількості зв'язаної води в породі, що утримується силами молекулярного тяжіння, капілярна (W_к) – максимальній кількості води в капілярних порах, повна (W_нв) – максимальній кількості води, що утримується породою при повному насиченні її водою.

Водовіддача – здатність водонасичених порід віддавати гравітаційну воду у вигляді вільного стоку. Для кількісної оцінки водовіддачі застосовують коефіцієнт водовіддачі, тобто відношення об’єму води, що видобувається (або що випливає) з породи (V_в) до об’єму осушеної частини породи (V_о), тобто

,                                                                 (6.1)

Величина коефіцієнта водовіддачі може бути визначена за формулою:

,                                                             (6.2)

де п — пористість;  — щільність сухого ґрунту; W_ммв – максимально-молекулярна вологоємність.

 

Водопроникність – здатність порід пропускати через себе воду під дією тиску.

Водопроникність порід залежить від розміру з’єднаних між собою пор і тріщин та від напору, під дією якого рухається вода. На водопроникність впливають також склад породи, особливості її будови, властивості фільтруючої води (в'язкість).

Чим більше розмір пор, порожнеч і тріщин, тим менший опір руху води й тим вища водопроникність порід. У гальці, гравії та інших великоуламкових породах з розміром пор до 1 см і більше водопроникність значно вище, ніж у глинистих породах з дуже дрібними порами. У глинистих породах пори частково заповнені зв'язаною водою, що у силу своєї малої рухливості перешкоджає фільтрації вільної води

Кількісно водопроникність порід характеризується коефіцієнтом фільтрації , що має розмірність: м/доб, м/с, см/с.

У залежності від величини коефіцієнта фільтрації виділяють породи з високою водопроникністю –  більше 1 м/доб (галька, гравій, пісок, тріщинуваті скельні породи), з невисокою водопроникністю –  від 1 до 0,001 м/доб (глинисті піски, суглинки, слабо тріщинуваті скельні породи) і практично водонепроникні –  менше 0,001 м/доб (глини, монолітні нетріщинуваті скельні породи).

Водонепроникні породи прийнято називати водонапірними. Дійсно, при великій потужності глини практично водонапірні. Однак абсолютно водонепроникних порід у природі не існує.

 

6.2. Фізичні властивості та хімічний склад підземних вод

6.2.1. Фізичні властивості підземних вод

При вивченні підземних вод для різних цілей визначають смак, запах, колір, прозорість, температуру й інші фізичні властивості, які характеризують так звані органолептичні властивості води, тобто властивості, що визначаються за допомогою органів почуттів. Підземні води звичайно прозорі, безбарвні, не мають запаху. Смак підземної води залежить від виду й вмісту розчинених мінеральних сполук і газів. Органолептичні властивості можуть різко погіршуватися при попаданні у воду природним або штучним шляхом різних домішок (мінеральних зважених часток, органічних речовин, деяких хімічних елементів).

Температура підземної води коливається в широких межах залежно від глибини залягання водоносного горизонту, особливостей геологічної будови, кліматичних умов і т.д. Розрізняють води холодні (температура від 0 до 20°С), теплі, або субтермальні води (20 – 37°С), термальні (37 – 100°С), перегріті (понад 100°С). Дуже холодні підземні води циркулюють у зоні багаторічної мерзлоти, у високогірних районах; перегріті води характерні для районів молодої вулканічної діяльності (Камчатка, Ісландія та ін.).

На ділянках діючих водозаборів в основному поширені холодні води з температурою від 5 до 20°С.

Відповідно до держстандарту, до фізичних властивостей підземних вод відносяться також щільність, в'язкість, електропровідність, радіоактивність та ін.

Щільність води – маса води, що перебуває в одиниці її об’єму. Максимальна при температурі 4°С. При підвищенні температури до 250°С щільність води зменшується до 0,799 г/см³, а при збільшенні кількості розчинених у ній солей підвищується до 1,400 г/см³.

В'язкість води характеризує внутрішній опір часток її руху. З підвищенням температури в'язкість підземних вод зменшується. Електропровідність підземних вод залежить від кількості розчинених у них солей і виражається величинами питомих опорів від 0,02 до 1,00 Ом∙м. Радіоактивність підземних вод викликана присутністю в ній радіоактивних елементів (урану, стронцію, цезію, радію та ін.). Навіть мізерно малі концентрації - соті й тисячні частки (мг/л) деяких радіоактивних елементів можуть бути шкідливими для людини.

 

6.2.2. Хімічний склад підземних вод

Підземна вода являє собою складний водяний розчин, що містить розчинені солі, гази (СО₂, H₂S, CH₄ та ін.), органічні речовини й колоїди.

Кількісні співвідношення між окремими компонентами обумовлюють фізичні властивості й хімічний склад підземних вод.

Іонно-сольовий склад. Підземна вода не зустрічається в хімічно чистому виді. У ній виявлено більше 60 елементів періодичної системи Менделєєва. Основні компоненти (іони), що визначають хімічний тип води, – Cl^–, SO₄^2–, HCO₃^–, Na⁺, Mg²⁺, Са²⁺ і К⁺. Ці іони становлять більше 90% всіх розчинених у воді солей. Залізо, нітрити, нітрати, водень, бром, йод, фтор, бор, радіоактивні й інші елементи містяться у воді в менших кількостях. Однак навіть у невеликих кількостях вони можуть впливати на оцінку придатності підземних вод для різних цілей.

Сумарний вміст розчинених у воді мінеральних речовин називають загальною мінералізацією. Про її величину судять по сухому або щільному залишку (у мг/л або г/л), що отримується після випарювання певного об’єму води при температурі 105 – 110°С. Між загальною мінералізацією підземних вод і їхнім хімічним складом існує певна залежність (табл. 6.1).

У природних умовах загальна мінералізація підземних вод винятково різноманітна. Зустрічаються підземні води з мінералізацією від 0,1 г/л (високогірні джерела) до 500-600 г/л ( глибокозалягаючі води). Загальна мінералізація – один з головних показників якості підземних вод.

Властивість води, обумовлена вмістом у ній іонів кальцію й магнію, називають жорсткістю. Розрізняють кілька видів жорсткості.

 

Таблиця 6.1

Класифікація підземних вод за ступенем мінералізації

 

Загальна жорсткість визначається сумарним вмістом у воді всіх іонів кальцію й магнію.

Карбонатна жорсткість (усувається при кип'ятінні води) – обумовлена вмістом у воді тільки гідрокарбонатних і карбонатних солей кальцію й магнію.

Крім того, виділяють постійну (що не усувається) жорсткість, обумовлену вирахуванням із загальної твердості карбонатної (переборної).

Жорсткість виражається в мг-екв/л Са²⁺ і Mg²⁺, причому 1 мг-екв/л жорсткості відповідає 20,04 мг Са²⁺ або 12,16 мг Mg²⁺ в 1 л води.

Гази в підземних водах. Гази містяться в підземних водах у розчиненому виді. Найпоширеніші в підземних водах кисень (О₂), вуглекислота (СО₂), сірководень (H₂S), азот (N,), метан (СН₄), інертні гази (гелій, аргон, радон і ін.).

Гази помітно впливають на органолептичні показники підземних вод. Насиченість води вільною вуглекислотою надає їй можливість руйнувати бетон.

Органічні сполуки й колоїди. У підземній воді майже завжди містяться органічні речовини й мікроорганізми. Деякі їхні види становлять серйозну небезпеку для питної води.

У підземній воді можуть також перебувати колоїди – тверді мінеральні частки, недисоційовані SiО₂, Fe₂O₃ і т.д., що перебувають у зваженому стані.

Оцінка якості питних вод. Якість підземних вод, що використовуються для господарсько-питного водопостачання, оцінюється по органолептичних і радіаційних показниках, хімічному складу та бактеріальному забрудненню. Гігієнічні вимоги до якості води нецентралізованого водопостачання, джерелом якого є підземні води, визначаються Санітарно-епідеміологічними правилами та нормами.

За органолептичними показниками питна вода повинна бути прозора, безбарвна, не мати неприємного запаху й смаку. Величина сухого залишку не повинна перевищувати 1 г/л, загальна жорсткість – 7,0 мг-екв/л, вміст заліза – 0,3 мг/л. Вміст окремих розчинених речовин не повинен перевищувати граничних допустимих значень.

У цілому, відповідно до Санітарних правил, питна вода повинна бути безпечна в епідемічному й радіаційному відношеннях, нешкідлива за хімічним складом та мати сприятливі органолептичні показники.

Оцінка якості підземних вод для технічних цілей залежить від характеру того або іншого виробництва. Для різних виробництв потрібні води різної якості.

 

6.2.3. Агресивність підземних вод до будівельних конструкцій

Води певного хімічного складу можуть завдавати руйнуючої дії на бетонні й металеві конструкції, фільтри свердловин, насоси й т.ін. Підземна вода, що руйнує бетон і метал, вважається агресивною.

Агресивна дія вод на бетон проявляється в розчиненні його основного компонента – карбонату кальцію, а також в утворенні солей CaSO4∙2Н₂О, MgSO₄∙2Н₂О та сульфоалюмінатуа кальцію («цементна бацила»), що викликає спучування й крихкість бетону.

Залежно від присутності у воді тих або інших компонентів розрізняють кілька видів агресивності підземних вод до бетону (табл. 6.2).

 

Таблиця  6.2

Види агресивності підземних вод стосовно бетону

 

 

Ступінь агресивного впливу підземних вод на арматури залізобетонних конструкцій оцінюється за сумарним вмістом в них сульфатів і хлоридів.

Кількісні критерії оцінки виду й ступеня агресивності підземних вод до бетону й залізобетону приводяться в ДБН „Захист будівельних конструкцій від корозії”.

За ступенем впливу на будівельні конструкції підземні води, відповідно до даного ДБНу розділяються на неагресивні, слабоагресивні, средньоагресивні й сильноагресивні. У нормах крім хімічного складу води враховується також коефіцієнт фільтрації порід, товщина конструкцій і марка бетону по водонепроникності.

Міри боротьби з агресивністю підземних вод можуть бути різними: застосування сульфатостійких цементів, гідроізоляція підземних частин споруд, дренаж і ін.

Агресивна дія вод на метали (корозія металів). Підземна вода з розчиненими в ній солями й газами може мати інтенсивну корозію стосовно заліза й інших металів. Прикладом може бути окислювання (роз'їдання) металевих поверхонь із утворенням іржі під дією кисню, розчиненого у воді:

Підземні води мають корозійні властивості при вмісті в них також агресивної вуглекислоти, мінеральних і органічних кислот, солей важких металів, сірководню, хлористих і деяких інших солей. М'яка вода (з величиною загальної жорсткості менше 3,0 мг-екв/л) діє значно агресивніше, ніж тверда. Найбільшому роз'їданню можуть піддаватися металеві конструкції під впливом сильно кислих (рН < 4,5) і сильно лужних вод (рН > 9,0). Корозії сприяє підвищення температури підземної води, збільшення швидкості її руху, електричні струми.

 

6.3. Класифікація підземних вод

Єдина загальноприйнята класифікація підземних вод дотепер не створена. Це пов'язано зі значною розмаїтістю їхніх властивостей, умов залягання, руху та ін. Підземні води можна поділити за рядом ознак, наприклад за температурою, ступенем мінералізації, інтенсивністю водообміну та ін.

Найбільший практичний інтерес представляє класифікація підземних вод за характером їх використання для технічних та інших цілей і за умовами залягання в земній корі.

 

6.3.1. Класифікація підземних вод за характером їх використання для господарсько-питних та інших цілей

Підземні води за цією ознакою поділяються на господарсько-питні, технічні, промислові, мінеральні, термальні.

Господарсько-питні води. Підземні води широко використовуються для господарсько-питних цілей. Прісні підземні води краще джерело питного водопостачання, тому використання їх для інших цілей, як правило, не допускається.

Джерелом господарсько-питного водопостачання є підземні води зони інтенсивного водообміну. Глибина залягання прісних підземних вод від поверхні землі звичайно не перевищує декількох десятків метрів. Однак є райони, де вони залягають на більших глибинах (300-500 м і більше).

Технічні води – це води, які використовують у різних галузях промисловості й сільського господарства. Вимоги до підземних технічних вод відбивають специфіку того або іншого виду виробництва. На відміну від питних якість технічних вод оцінюється, насамперед, за величиною жорсткості.

Промислові води містять у розчині корисні елементи (бром, йод і ін.) у кількості, що має промислове значення. Звичайно вони залягають у зоні досить уповільненого водообміну, мінералізація їх висока (від 20 до 500 – 600 г/л), склад хлоридно-натрієвий, температура нерідко досягає 60 – 80°С.

Мінеральними називають підземні води, які мають підвищений вміст біологічно активних мікрокомпонентів, газів, радіоактивних елементів і т.д. Мінеральні води виходять на поверхню землі природним шляхом, тобто у вигляді джерел, або розкриваються за допомогою свердловин.

Термальні води мають температуру більше 37°С. Термальні підземні води залягають повсюдно на глибинах від декількох десятків і сотень метрів (у гірсько-складчастих районах) до декількох кілометрів (на платформах).

По тріщинах термальні води часто виходять на поверхню землі, утворюючи гарячі джерела з температурою до 100°С (Камчатка, Кавказ). Різновидом гарячих джерел є гейзери, що викидають струмінь пари й води на висоту до декількох десятків метрів.

 

6.3.2. Класифікація підземних вод за умовами залягання

За умовами залягання в земній корі підземні води поділяють на верховодку, ґрунтові та міжпластові води (рис. 6.2).

Верховодка й ґрунтові води відносяться до ненапірних вод і мають вільну поверхню, тиск на якій дорівнює атмосферному. Міжпластові води бувають ненапірними і напірними, останні по-іншому називають артезіанськими.

 

Рис. 6.2. Умови залягання підземних вод:1 – водопроникні; 2 – водотривкі породи

 

Артезіанські води мають п’єзометричну (напірну) поверхню.

Крім цих основних типів підземних вод виділяють також тріщинуваті, карстові й підземні води районів багаторічної мерзлоти .

Верхня частина земної кори залежно від ступеня насичення водою пор гірських порід ділиться на дві зони: верхню – зона аерації й нижню – зона насичення.

Зона аерації розташована між поверхнею землі й рівнем ґрунтових вод. У цій зоні, безпосередньо пов'язаної з атмосферою й ґрунтовим покривом, спостерігається просочування атмосферних опадів і поверхневих вод углиб, убік зони насичення. Пори гірських порід у зоні аерації лише частково заповнені водою, інша їх частина зайнята повітрям. Зона аерації відіграє важливу роль у формуванні підземних вод. Потужність, тобто товщина, зони аерації коливається від нуля в заболочених низинах до декількох сотень метрів у гірських районах із сильно розчленованим рельєфом.

Зона насичення гірських порід розташована нижче рівня ґрунтових вод. У цій зоні всі пори, тріщини, каверни й інші порожнечі заповнені гравітаційною водою.

Підземні води в зоні насичення циркулюють у вигляді ґрунтових, артезіанських, тріщинуватих та інших вод.

Потужність зони насичення, так само як і зони аерації, змінюється відповідно зміні рівня ґрунтових вод.