Тема 7
Характеристика основних типів
підземних вод за умовами залягання
7.1. Верховодка
Верховодкою називають тимчасове скупчення підземних вод у зоні аерації.
Залягає вона на невеликій глибині від поверхні землі й утвориться над
локальними водонапорами (або напівводонапорами), у ролі яких можуть бути лінзи
глин і суглинків у піску, прошарку щільних порід і т.ін. (рис. 7.1). При
інфільтрації вода тимчасово затримується на них і утворює своєрідний тип
підземної води. Найчастіше це буває пов'язане з періодом рясного сніготанення й
випадання дощів. У посушливу пору року верховодка може повністю зникнути в
результаті випаровування та просочування у нижчі шари.
Рис. 7.1. Верховодка: 1 –
водопроникна порода; 2 – водонапірні
породи; 3 – ґрунтова вода; 4 – верховодка.
У легко водопроникних невологоємких породах (піски, галька, тріщинуваті
породи) верховодка виникає порівняно рідко, так само як і в дуже вологоємких
глинах, що набухають. Найбільш типові для неї різні суглинки й лесові породи.
Іншою особливістю верховодки є можливість її утворення навіть при
відсутності в зоні аерації яких-небудь водотривких прошарків. Наприклад, у
товщу суглинків рясно надходить вода, але внаслідок низької водопроникності
просочування відбувається уповільнено й у верхній частині товщі утвориться
верховодка. Через якийсь час ця вода розсмоктується.
На схилах верховодка практично відсутня. Найчастіше вона спостерігається на
вододільних рівнинних ділянках, особливо в зниженнях мікрорельєфу (степові
блюдця, западини й т.п.), що затримують поталі снігові й дощові опади.
По величині мінералізації води верховодки строкаті: від прісних (у
північних районах) до солонуватих і солоних (у посушливих районах, з
інтенсивним випаром). Близькість верховодки до поверхні землі часто приводить
до її забруднення органічними сполуками. Для постійного водопостачання
верховодка непридатна.
Верховодка становить значну небезпеку для будівництва. Залягаючи в межах
підземних частин будівель і споруд, вона може викликати їхнє підтоплення, якщо
заздалегідь не були передбачені міри дренування або гідроізоляції. У результаті
значних витоків води (водопровід, каналізаційні мережі, басейни й ін.)
відзначена часта поява горизонтів верховодок на площадках багатьох об'єктів,
розташованих у зоні поширення лесових порід. Це становить серйозну небезпеку,
тому що ґрунти підстав знижують свою стійкість, утрудняється експлуатація
споруд.
При інженерно-геологічних вишукуваннях, проведених у суху пору року,
верховодка не завжди виявляється, тому її поява при ритті котлованів, траншей
може бути несподіваною.
7.2. Ґрунтові води
Ґрунтовими називають води першого від поверхні постійного водоносного
горизонту, витриманого по площі й розташованого на першому водотривкому шарі.
Ґрунтові води мають вільну поверхню, тобто зверху вони не перекриті
водотривкими шарами. Вільну поверхню ґрунтових вод називають дзеркалом (у
розрізі – рівнем). Шари або шар гірських порід, насичений підземною водою,
іменують водоносним шаром або водоносним горизонтом. Відстань від водонапору до
рівня підземних вод називається потужністю водоносного горизонту (шару) (рис.
7.2).
Рис. 7.2. Елементи ґрунтової води: h
– потужність водопроникних порід; Н – потужність водоносного горизонту;1 – рівень ґрунтової води; 2 – водотривке ложе
Ґрунтові води в силу наявності вільної поверхні – ненапірні. Іноді при
розкритті ґрунтових вод свердловинами й іншими виробками спостерігається
місцевий (звичайно невеликий) напір.
Виникає він при проходженні свердловинами прошарків водотривких порід, що
залягають у товщі водоносного шару.
Живлення ґрунтових вод відбувається за рахунок інфільтрації (просочування)
атмосферних опадів і конденсації водяних парів, а також надходження води з
поверхневих водойм (рік, озер і т.д.). Значно рідше ґрунтові води підживлюються
з боку глибокозалягаючих напірних вод. Територія, на якій відбувається живлення
водоносного горизонту, називається областю живлення. Для ґрунтових вод
характерний збіг областей живлення й поширення.
Ґрунтові води перебувають у безперервному русі, утворюючи ґрунтові потоки.
В окремих випадках їхнє залягання має форму ґрунтових басейнів. Ґрунтові води в
басейнах залишаються нерухливими й мають горизонтальну поверхню. На противагу
їм ґрунтові потоки мають відповідні ухили своєї поверхні. Ухил поверхні
ґрунтового потоку звичайно відповідає ухилу рельєфу поверхні землі й
спрямований убік найближчого зниження. Ґрунтові води рухаються від вододілів до
річкових долин, ярів, балок і т.ін. У місцях виходу ґрунтових вод на поверхню
утворюються джерела, заболоченість. Це місця природного розвантаження
(дренування) ґрунтових вод.
Ґрунтові води мають майже повсюдне поширення. Глибина залягання ґрунтових
вод, хімічний склад і температура залежать від багатьох факторів: геологічної
будови району, рельєфу місцевості, кліматичних умов. У цілому дзеркало
ґрунтових вод відбиває рельєф земної поверхні. Найбільша глибина залягання
ґрунтових вод відзначається на вододілах, найменша – у зниженнях рельєфу.
Звичайно ґрунтові води залягають на невеликій глибині – від 2 до
7.3. Міжпластові підземні води. Артезіанські води й
басейни
Міжпластовими водами називають водоносні горизонти, що залягають між двома
водотривкими шарами. Залежно від умов залягання вони можуть мати вільну
поверхню або мати напір.
Міжпластові ненапірні води зустрічаються порівняно рідко. Рівень цих вод
розташовується нижче покрівлі першого водонапору, тобто водопроникний шар не
має повного заповнення. За умовами пересування й характеру напорів ці води
аналогічні ґрунтовим водам. Однак область жилення міжпластових вод не
збігається з областю їхнього поширення. Живлення вод відбувається на ділянках
виходу водоносного шару на денну поверхню або шляхом фільтрації з рік і інших
поверхневих водотоків і водойм.
Міжпластовими напірними або артезіанськими називають води, що залягають між
двома водотривкими шарами й володіють гідростатичним напором. На відміну від
міжпластових ненапірних вод артезіанські води повністю насичують водопроникний
шар від підошви до покрівлі. При розкритті напірного водоносного шару
свердловинами вода піднімається вище його водотривкої покрівлі, а при сильному
напорі й низьких абсолютних оцінках земної поверхні
Рис. 7.3. Артезіанський басейн. Області: а – живлення напірних вод; б
– напору; в – розвантаження; 1 – рівень ґрунтових вод; 2 – п’єзометричний рівень напірних вод; 3 – водоносний напірний шар; 4 – водонапори; 5 – свердловини; Н –
величина п’єзометричного напору може самовиливатися на поверхню (рис. 7.3) з
висотою фонтанування до декількох десятків метрів.
Артезіанські води звичайно залягають на великій глибині й приурочені до
синклінальних (увігнутих) геологічних структур.-При синклінальному заляганні
шарів створюються найбільш сприятливі умови для утворення гідростатичного
напору. Напірні води зустрічаються й при моноклінальному (односхиловому)
заляганні водоносних горизонтів, якщо останні різко змінюють свою
водопроникність або виклинцьовуються. Вони можуть бути приурочені також і до
зон тектонічних порушень і розламів.
Геологічні структури синклінального типу, що містять один або кілька
напірних водоносних горизонтів і займають значні площі (до декількох сотень
тисяч квадратних кілометрів), називають артезіанськими басейнами.
Основні елементи артезіанського басейну. В артезіанських басейнах виділяють
три області: живлення, напору (поширення) і розвантаження (рис. 7.3).
Область живлення поширена в піднятій частині артезіанського басейну, у
місці виходу водопроникних шарів на поверхню. На її території відбувається
інфільтраційне живлення напірних вод і перехід поверхневого потоку в підземний.
Підземні води в цій області не мають напору і відносяться до типу ґрунтових. У
місцях з низькими відмітками рельєфу (долини великих рік, озерні западини,
узбережжя морів) звичайно розташовуються області розвантаження артезіанських
вод. Напірні води розвантажуються безпосередньо в ріки або відкладення рік, під
рівень моря або виходять на денну поверхню, утворюючи джерела й заболочені
території. В області розвантаження напірні води змішуються із ґрунтовими й
стають ненапірними. Загальний напрямок руху артезіанських вод – від області живлення
до області розвантаження.
Основну площу артезіанського басейну займає область напору (поширення). На
її території підземні води перебувають під постійним напором, що зростає в міру
наближення до осьової частини синклінального прогину. Величина напору вод
характеризується п’єзометричним рівнем, тобто рівнем, що встановлюється в
свердловинах при розкритті напірних вод.
Напір води створюється завдяки перепаду відміток висот областей живлення й
розвантаження, тобто обумовлений законом сполучених посудин. Напірність
пов'язана також із пружними властивостями води і гірських порід, що її
вміщають.
Лінії, що з'єднують крапки з однаковими оцінками п’єзометричного рівня,
називають гідроізоп’єзами (або п’єзогіпсами). Карта гідроізоп’єз – сукупність
таких ліній і будується вона методом інтерполяції відміток, тобто аналогічно
карті гідроізогіпс.
За допомогою карти гідрозоп’єз вирішують ряд практичних завдань, пов'язаних
з використанням артезіанських вод для водопостачання, з організацією захисту
від них при розкритті будівельними котлованами покрівлі напірного горизонту й
т.д. За картою гідроізоп’єз вивчають умови формування потоків артезіанських
вод, визначають напрямок їхнього руху, виділяють ділянки можливого самовиливу
(при сполученні гідроізоп’єз із горизонталями), встановлюють гідравлічний
зв'язок напірних вод з ріками та ін.
При використанні артезіанських вод для водопостачання найбільш
перспективним уважається самий верхній напірний горизонт, де звичайно залягають
слабомінералізовані (прісні) води.
Артезіанські води практично не забруднені й, як правило, володіють значної
водонасиченістю. До недоліків варто віднести необхідність у ряді випадків
проходження дуже глибоких свердловин для розкриття напірного водоносного
горизонту.
7.4. Підземні води в тріщинуватих і закарстованих породах
Тріщинуваті води – це підземні води, що циркулюють у тріщинуватих гірських
породах. Переміщаються вони по системі взаємозалежних тріщин і утворюють єдину
гідравлічну систему.
Залежно від умов залягання тріщинуваті води можуть бути ґрунтовими,
міжпластовими, жильними.
Тріщинно-ґрунтові води розвинені у верхній тріщинуватій зоні кристалічних
масивів (до глибини 80 – 100м). Живляться вони в основному за рахунок
інфільтрації атмосферних опадів і відрізняються значними коливаннями рівня підземних
вод у часі. Площі їхнього живлення збігаються із площами поширення. Глибина
залягання тріщинно-ґрунтових вод зростає від долин до вододілів (від декількох
метрів до
Тріщинно-ґрунтові води звичайно розташовані в зоні активного водообміну,
тому в більшості випадків вони прісні, гідрокарбонатно-кальцієвого складу.
Швидке проникнення поверхневих опадів по системі тріщин на глибину може
приводити до забруднення вод шкідливими органічними сполуками. Це необхідно
враховувати при оцінці тріщинно-ґрунтових вод для питного водопостачання.
Міжпластові тріщинуваті води циркулюють в артезіанських басейнах, водоносні
горизонти яких представлені тріщинуватими гірськими породами.
Тріщинно-жилъні води розвинені локально, винятково в зонах тектонічних
порушень із великими тріщинами. Це лінійно витягнуті вузькі водні потоки (жили),
що йдуть у глибину на кілька сотень
метрів, тому вони часто мають підвищену температуру. Для тріщинно-жильних вод
характерний напірний режим. Як правило, вони відрізняються значної
водонасиченістю, нерідко розвантажуються на поверхні землі й утворюють потужні
джерела.
Тріщинно-жильні води живляться за рахунок тріщинно-ґрунтових вод,
розвантаження глибокозалягаючих напірних водоносних горизонтів та інших джерел.
При будівництві підземних споруд (трубопроводи, тунелі та ін.) у
гірсько-складчастих областях необхідно вживати заходи, що запобігають раптовим
проривам водонасичених тріщинно-жильних вод.
Карстові води. Підземні води, які циркулюють по тріщинах і порожнечам
карстового походження, називають карстовими або тріщинно-карстовими.
Рух карстових вод відбувається по досить складній системі тріщин, каверн,
карстових каналів і печер. Карстові води, що переміщуються по системі
взаємозалежних великих карстових порожнин (печер), утворюють карстові потоки.
Живлення карстових вод здійснюється за рахунок інфільтрації атмосферних
опадів, підживлення з боку поверхневих водотоків і водойм, а також перетікання
підземних вод з інших водоносних горизонтів. Значна тріщинуватість карстових
масивів сприяє інтенсивній інфільтрації атмосферних опадів і нагромадженню
значних запасів карстових вод. Як правило, підземні води, що циркулюють у дуже
закарстованих породах, володіють значною водонасиченістю.
Хімічний склад карстових вод визначається в основному складом порід, і
гідродинамічною зональністю. У зоні інтенсивного водообміну карстові води
звичайно прісні, гідрокарбонаті (у вапняках) або тверді сульфатні (у гіпсах). У
зонах уповільненого водообміну карстові води мінералізовані й сильно
мінералізовані, аж до розсолів, склад – хлоридний. Карстові води можуть легко
забруднюватися з поверхні землі, тому дослідженню їхнього бактеріального
забруднення надається велике значення. У цілому роль карстових вод у вирішенні
проблем водопостачання багатьох районів істотна. Разом з тим значна
водонасиченість карстових вод може викликати й серйозні ускладнення при
будівництві й експлуатації різних споруд у товщі закарстованих порід
(підвищений притік води до будівельних котлованів, витік вод з водоймищ і
т.д.).
7.5. Підземні води районів багаторічної мерзлоти
Підземні води в районах багаторічної мерзлоти характеризуються своєрідними
умовами залягання, циркуляції й стоку. Головна їхня особливість полягає в тім,
що вони контактують або безпосередньо втримуються в товщі багаторічномерзлих
порід.
Багаторічномерзлі породи мають потужність від декількох метрів до кількох
сотень метрів, містять ділянки з постійно позитивною температурою (талики) і
тільки у верхній частині сезонно відтають (діяльний шар).
За кількістю підземних вод райони багаторічної мерзлоти поступаються
районам з помірним кліматом. Поверхневі ж джерела промерзають на тривалий
період, тому організація водопостачання в цих районах представляє значні
утруднення.
