МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«КУБАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Геологический факультет
Кафедра региональной и морской геологии
УТВЕРЖДАЮ
Проректор по учебной работе,
качеству образования – первый проректор
____________
«___»_________2012г.
Рабочая учебная программа по дисциплине
Б3.Б.16 ГИДРОГЕОЛОГИЯ
Для направления 020700.62 Геология
Профиль: Гидрогеология и инженерная геология
Квалификация (степень) выпускника – Бакалавр
Форма обучения: очная
Краснодар 2014
Рабочая учебная программа дисциплины составлена в соответствии с ФГОС ВПО по направлению подготовки 020700.62 , Геология, утвержденного приказом Министерства образования и науки России от 14 января 2010 г., №22
РЕЦЕНЗЕНТЫ:
кандидат геолого-минералогических наук, начальник тематической партии «ИнжГео»;
, к. т.н., доцент, доценты кафедры высоких технологий и предупреждения ЧС факультета КубГУ.
СОСТАВИТЕЛЬ доктор геолого-минералогических наук, профессор.
Рабочая учебно-методическая программа рассмотрена и утверждена на заседании кафедры региональной и морской геологии
"21" января 2012 г. Протокол №
Заведующий кафедрой_______ , д. г.-м. н., профессор
Рабочая учебно-методическая программа согласована Учебно-методической комиссией Геологического факультета КубГУ
Председатель УМК_____________, д. г.-м. н., профессор
Цель и задачи курса.
Гидрогеология - наука о подземных водах, изучающая их состав и свойства, происхождение, условия формирования, взаимодействие их с горными породами, поверхностными водами и атмосферой. Она является прикладной отраслью геологии и тесно связана с гидрологией, метеорологией, геохимией и другими науками о земле.
В задачи курса входит: овладение основными понятиями гидрогеологии, изучение законов движения подземных вод и формирования их химического состава, методов полевых и лабораторных гидрогеологических исследований, принципов разработки гидрогеологических прогнозов и организации мониторинга.
Курс «Гидрогеология» для слушателей, обучающихся по направлению 020700.62 «Геология», является единственным курсом, в котором рассматривается целостное представление о строении, использовании и охране подземной части гидросферы планеты.
Тематический план.
Тема | Количество часов | |||
лекций | Лаб. раб. | КСР | самост. изуч. | |
Введение | 3 | - | 3 | |
1. Состав и строение подземной гидросферы | 6 | 2 | 5 | |
2. Динамика и режим подземных вод | 6 | 3 | 1 | 5 |
3. Характеристика основных типов подземных вод | 5 | 3 | 1 | 5 |
4. Использование и охрана подземных вод | 5 | 2 | 1 | 5 |
5. Методы гидрогеологических исследований | 2 | 2 | 5 | |
Всего: | 24 | 12 | 3 | 33 |
Программа курса.
ВВЕДЕНИЕ.
Предмет гидрогеологии, особенности объекта исследования, история развития науки, роль русских ученых в развитии гидрогеологической науки. Практическое значение гидрогеологии.
СОСТАВ И СТРОЕНИЕ ПОДЗЕМНОЙ ГИДРОСФЕРЫ.
Гидрогеологический разрез земной коры, характерные зоны и их границы. Подземная ветвь общего круговорота воды на Земле. Гидрогеологический и геологический циклы подземной ветви круговорота воды.
Теории происхождения подземных вод: инфильтрационная, конденсационная (сорбционная), современные представления о формировании седиментационных, метаморфогенных и ювенильных (магматогенных) подземных вод.
Водно-коллекторские свойства горных пород: скважность (пористость, трещиноватость), гравитационная ёмкость, проницаемость. Виды воды в горных породах (классификация). Свойства и условия движения различных видов воды.
Понятие об основных элементах гидрогеологического разреза: водоносный слой, горизонт, комплекс, слабопроницаемые (водоупорные) элементы разреза. Водоносные зоны трещиноватости. Классификации подземных вод по типам водовмещающих пород и условиям залегания.
Химический состав и минерализация подземных вод. Основные группы компонентов. Процессы формирования химического состава подземных вод. Гидрогеохимическая зональность земной коры. Гидрогеохимические инверсии.
Динамика и режим подземных вод.
Представления о движении подземных вод в горных породах (геофильтрация). Геофильтрационный поток и его элементы. Гидродинамическая сетка потока. Типы потоков по структуре и режиму.
Основной закон фильтрации (закон Дарси). Формы выражения основного закона фильтрации. Верхний и нижний пределы применимости.
Режим и баланс подземных вод. Основные понятия. Виды и типы режима подземных вод. Основные режимообразующие факторы.
Подземный сток. Понятие, основные количественные характеристики. Закономерности формирования и распределения величин подземного стока.
Тепло - и массоперенос с подземными водами. Конвективный и диффузионный перенос. Геотермические зоны. Геотемпературное поле.
Характеристика основных типов подземных вод.
Воды зоны аэрации. Почвенные воды и верховодка. Особенности влагопереноса в ненасыщенной зоне.
Грунтовые воды. Условия залегания, питания и разгрузки. Источники взаимодействия с поверхностными водами. Зональность грунтовых вод.
Трещинные подземные воды. Типы природных скоплений трещинных вод. Условия питания, движения и разгрузки. Формирование химического состава.
Карстовые (трещинно-карстовые) подземные воды. Фильтрационная неоднородность сред карстового потока, условия её формирования. Особенности питания, движения и разгрузки. Формирование химического состава. Районы распространения трещинно-кастовых вод и их использование.
Пластовые (межпластовые) подземные воды. Пластовое давление и пьезометрический напор. Основные схемы формирования потоков межпластовых подземных вод. Формирование химического состава.
Региональные закономерности формирования подземных вод. Принципы гидрогеологического районирования. Типы гидрогеологических районов: гидрогеологические массивы, артезианские бассейны, горно-складчатые области. Подземные воды криолитозоны. Формирования подземных вод аридных территорий.
Гидрогеологическое районирование России.
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ И ОХРАНА ПОДЗЕМНЫХ ВОД.
Подземные воды как полезное «ископаемое». Основные типы подземных вод: пресные питьевые, минеральные лечебные, промышленные, термальные. Условия формирования и распространения, примеры использования.
Понятие о месторождении пресных подземных вод. Классификация запасов и ресурсов подземных вод. Общие принципы разведки и подсчета запасов.
Подземные воды как элемент природной среды. Взаимодействие с атмосферой, поверхностными водами, ландшафтами. Характер изменения режима и баланса подземных вод в районах с различными видами интенсивной хозяйственной деятельности. Охрана запасов подземных вод от истощения.
Загрязнение подземных вод. Виды и источники загрязнения. Принципы оценки характера и степени загрязнения подземных вод. Охрана подземных вод от загрязнения. Зоны санитарной охраны водозаборов. Мероприятия по предотвращению формирования и распространения загрязнения. Природная защищенность подземных вод.
МЕТОДЫ ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ
Основные виды гидрогеологических работ.
Гидрогеологические съемки. Виды и масштабы съемок. Организация работ. Состав полевых исследований и наблюдений. Камеральные работы.
Гидрогеологическое бурение. Типы и назначение гидрогеологических скважин.
Опытно-фильтрационные работы. Опытные откачки и нагнетания. Геофизические исследования скважин. Исследования режима и баланса подземных вод. Организация режимных наблюдений.
Моделирование гидрогеологических процессов. Метод ЭГДА, методы численного (математического) моделирования. Прямые и обратные задачи.
Практические занятия по курсу и методические указания к их проведению.
ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА № 1.
ЗОНАЛЬНОСТЬ ГРУНТОВЫХ ВОД.
Содержание задания:
1. Проанализировать карты занального распределения грунтовых вод, составленные , и .
2. В тетради составить и заполнить следующие таблицы:
а) для зонального распределения грунтовых вод по .
Генетические типы грунтовых вод | Районы распространения |
б) для зонального распределения грунтовых вод по и .
Провинции | Пояса | Минерализация | Химический состав | Районы распространения |
ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА № 2.
РАСЧЁТ ПАРАМЕТРОВ ПОВЕРХНОСТНОГО И ПОДЗЕМНОГО СТОКА.
Содержание задания:
Площадь бассейна р. Дон у г. Калача F = 221600 км2. Средний многолетний расход за 50 лет Q = 694 м3/с. Осадки за год Х = 510 мм. Расход воды в нижнем створе Q2 = 29,5 м3/с, в верхнем створе на расстоянии L = 15 км. Q1=22,3 м3/с. Площадь подземного питания по карте гидроизогипс Fп = 9000 км2.
Вычислите основные характеристики поверхностного и подземного стока р. Дон у г. Калача.
Основные характеристики поверхностного и подземного стока:
1. Модуль стока М л / (с · км2) – количество воды, стекающее в единицу времени с 1 км2 водосборной площади
|
F
Q – среднегодовой расход воды, м3/с;
F – водосборная площадь, км2;
103 – коэффициент перевода 1 м3 в литры.
2. Подземное питание. Qn (м3/с на 1 км).
|
Q2 – Q1, где
L
Q1 – расход реки в верхнем створе, м3/с;
Q2 - расход реки в нижнем створе, м3/с;
L – расстояние между створами, км.
3. Объём годового стока W (м3, км3) – количество воды, стекающее с территории бассейна за год
W = Q · T, где
Q – средний годовой расход реки, м3/с;
T = 86400 · 365 = 31,5 ·106 – число секунд в году.
W можно выразить через М:
|
103
4. Слой стока Y за год (мм / год) – объём стока, равномерно распределенный по площади бассейна в виде слоя.
|
F · 103 F · 103
Слой стока можно выразить через М:
|
F · 103
5. Коэффициент стока
|
X
Y – высота слоя воды за какой-то период, мм;
X – количество осадков за тот же период, мм.
Вышеуказанные параметры можно определить как для поверхностного, так и для подземного стока. Соотношение между стоками выражается формулой:
|
M
Kп - модульный коэффициент (%), показывающий процентное содержание подземного стока от общего годового поверхностного стока;
Mп - модуль подземного стока, л / (с · км2);
M - модуль поверхностного стока, л / ( с · км2).
6. Годовая инфильтрация атмосферных осадков численно равна высоте слоя подземного стока Yn и определяется по формулам:
Yп = 35,5 · Mп,
|
100
Mп - модуль подземного стока, л / (с · км2),
определяемый по формуле:
|
Fп
Qп - подземное питание, м3 / с на 1 км;
Fп - площадь подземного питания, км2.
7. Коэффициент подземного стока hп
|
X
8. Средний многолетний объём воды (м3 / год) от инфильтрации по всей площади подземного водосбора за год вычисляют:
Wин = Yп · Fп · 103
9. Коэффициент подземного питания рек Кп. п. (%)
Кп. п. = (Qп / Q) · 100 %, где
Qп - подземное питание реки, м3 / с;
Q - расход воды в реке, м3 / с.
ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА № 3.
ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКОЕ РАЙОНИРОВАНИЕ ТЕРРИТОРИИ РОССИИ.
Содержание задания:
1. На контурную карту России нанести артезианские бассейны, гидрогеологические массивы гидрогеологические складчатые области (по , 1985 )
Выучить схему гидрогеологических структур территории России.
ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА № 4.
СОСТАВЛЕНИЕ И ЧТЕНИЕ ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИХ РАЗРЕЗОВ.
Содержание задания:
1. На миллиметровой бумаге построить гидрогеологический разрез по данным разведочного бурения (табл. 1). Рекомендуется масштаб вертикальный и горизонтальный 1: 500.
2. По разрезу составить характеристику водоносных горизонтов в соответствии с нижеуказанным планом:
I. Характер водоносных горизонтов и условия их залегания.
Подразделяют условия залегания артезианских и грунтовых вод.
Артезианские воды характеризуются наличием выдержанных водоупорных толщ в кровле и в подошве водосодержащего пласта и избыточного напора воды над кровлей пласта. Избыточный напор проявляется в том, что уровни, встреченные при бурении и вскрытии водоносного горизонта, поднимаются и устанавливаются выше кровли пласта (это так называемые установившиеся напорные уровни). Положение установившихся напорных уровней по скважинам определяют положение пьезометрической кривой.
Мощность потока – это разность отметок кровли и подошвы водоносного пласта.
Глубина вскрытия напорного водоносного горизонта – это разность отметок поверхности земли и кровли водосодержащего пласта.
Установившийся уровень напорных вод при бурении скважин – это разность отметок поверхности земли и пьезометрической кривой.
Величина напора над кривой – разность отметок установившегося уровня и кровли пласта.
По разрезу можно установить участки возможного самоизлива, приуроченные к зонам, где поверхность земли располагается ниже пьезометрической кривой.
Грунтовые воды – безнапорные, не насыщающие полностью весь водопроницаемый пласт водой. Их поверхность свободна. Они залегают на первом от поверхности земли выдержанном водоупоре. Установившийся уровень грунтовых вод показывает положение кривой депрессии. Он фиксируется обычно на том же уровне, где был встречен при бурении скважины.
Глубина до грунтовых вод – разность отметок поверхности земли и кривой депрессии.
Мощность потока – разность отметок кривой депрессии и водоупорной подошвы водоносного пласта.
На отдельных участках грунтовые воды могут перекрываться линзами и прослоями водоупорных пород и тогда здесь поток приобретает местный напор
II. Направление движения потока.
Оно устанавливается от участков с большими отметками пьезометрической или депрессионной кривой к участкам с меньшими отметками.
Для грунтовых вод важно установить положение водораздела подземных вод – точки, в которой депрессионная поверхность достигает наиболее высокого положения. Водораздел грунтовых вод характеризует собой место перемены направления потока.
III. Уклон потока и его напорный градиент.
Его определяют по разности абсолютных или относительных отметок уровней в двух сечениях потока, отнесенных к расстоянию между этими сечениями:
|
L1-2
IV. Условия питания и разгрузки подземных вод.
Напорные воды:
1) область питания имеет максимальные отметки пьезометрической кривой и представлена участками выхода водосодержащих толщ на поверхность, участками фильтрации вод из вышележащих горизонтов в местных выклиниваниях последних или при уменьшении мощности разделяющих водоупоров.
Наличие перетекания из одного водоносного горизонта в другой устанавливается из сравнения положения пьезометрических уровней этих горизонтов: из горизонта, пьезометрическая поверхность которого выше, возможно подпитывание другого горизонта с меньшими по отметкам уровням.
2) область разгрузки имеет минимальные отметки пьезометрической кривой. Разгрузка может иметь местный (локальный) характер на участках выхода водоносной толщи на поверхность земли (эрозионный тип разгрузки) в области минимальных отметок напора горизонта, в зонах тектонических нарушений. При разгрузке подземных вод под уровень рек, морей, в толщу отложений, содержащих грунтовые или напорные воды с меньшими отметками напора, образуются очаги разгрузки.
Грунтовые воды:
1) питание грунтовых вод происходит по всей области развития потока путем инфильтрации атмосферных осадков через зону аэрации, на отдельных участках – путем фильтрации из поверхностных водоемов. Питание может осуществляться за счет подтока из глубокозалегающих горизонтов через «окна» в водоупорном ложе.
2) разгрузка грунтовых вод может осуществляться в поверхностные водоемы при дренировании ими горизонтов подземных вод в виде нисходящих родников.
Может сток происходить и в другие водоносные горизонты при наличии гидравлической связи между ними.
При неглубоком залегании грунтовых вод расходование воды может происходить путем испарения с их поверхности.
Необходимо отмечать искусственно созданные условия питания и разгрузки: инфильтрация вод из каналов, с полей орошения, дренирование подземных вод водозаборными скважинами, горными выработками, дренажными галереями.
V. Взаимосвязь с другими водоносными горизонтами.
Она увеличивается по данным литологии пород и анализа соотношений отметок кривых депрессий и пьезометрических поверхностей на различных участках разреза.
Таблица 1.
Данные разведочного бурения
№ слоя сверху вниз | Глубина залегания, м | Геологический индекс | Литологическая характеристика | Данные ОПВ | |
Глубина появления, м. | Установ. уровень, м. | ||||
Скважина 1. Абсолютная отметка устья 223,0 м. | |||||
1 | 0.00-10.0 | Q | покровные суглинки желто-бурые | ||
2 | 10.0-24.5 | gl Q | суглинки тёмно-бурые с валунами и галькой кристаллических пород, водоносные | 10.0 | 10.0 |
3 | 24.5-42.6 | C | глина тёмно-серая, плотная | ||
4 | 42.6-46.4 | C | известняки белые, трещиноватые, водоносные | 42.6 | 31.0 |
5 | 46.4-58.2 | C | глина тёмно-серая плотная | ||
6 | 58.2-61.8 | C | уголь | ||
7 | 61.8-70.8 | C | глина кирпично-красная, огнеупорная | ||
8 | 70.8-76.6 | C | пески серовато-жёлтые, мелкозернистые, водоносные | 70.8 | 31.0 |
9 | 76.6-80.0 | D | известняки и доломиты трещиноватые, водоносные | 76.6 | 31.0 |
Скважина 2. Абсолютная отметка устья 226,0 м. Расстояние между 1 и 2 скважинами 58 м. | |||||
1 | 00.0-10.3 | Q | покровные суглинки жёлто-бурые | ||
2 | 10.3-22.4 | gl Q | суглинки тёмно-бурые с валунами и галькой кристаллических пород, водоносные | 10.3 | 10.3 |
3 | 22.4-36.5 | C | глина тёмно-серая, плотная | ||
4 | 36.5-43.6 | C | известняки белые трещиноватые, водоносные | 36.5 | 34.0 |
5 | 43.6-68.5 | C | глина тёмно-серая, плотная | ||
6 | 68.5-73.5 | C | глина кирпично-красная, огнеупорная | ||
7 | 73.5-76.7 | C | известняки белые трещиноватые, водоносные | 73.5 | 34.0 |
8 | 76.7-80.7 | C | глина кирпично-красная, огнеупорная | ||
9 | 80.7-85.0 | D3 | известняки и доломиты трещиноватые, водоносные | 80.7 | 34.0 |
Скважина 3. Абсолютная отметка устья 225,0 м. Расстояние между 2 и 3 скважинами 58 м. | |||||
1 | 0.0-9.0 | Q1 | покровные суглинки | ||
2 | 9.0-16.2 | gl Q | суглинки тёмно-бурые с валунами и галькой кристаллических пород, водоносные | 9.0 | 9.0 |
3 | 16.2-34.4 | C1 | глина жёлто-серая, плотная | ||
4 | 34.4-36.8 | C1 | известняки белые, трещиноватые, водоносные | 34.4 | 33.0 |
5 | 36.8-44.4 | C1 | глина тёмно-серая, плотная | ||
6 | 44.4-48.4 | C1 | известняки белые, трещиноватые, водоносные | 44.4 | 33.0 |
7 | 48.4-51.5 | C1 | глина тёмно-серая, плотная | ||
8 | 61.5-69.5 | C1 | глина кирпично-красная, огнеупорная | ||
9 | 69.3-72.6 | C1 | известняки белые, трещиноватые, водоносные | 69.5 | 33.0 |
10 | 72.6-78.6 | C1 | глина кирпично-красная, огнеупорная | ||
11 | 78.6-83.2 | D3 | известняки, доломиты трещиноватые, водоносные | 78.6 | 33.0 |
Скважина 4. Абсолютная отметка устья 214 м. На расстоянии 32 м. от скважины 3. | |||||
1 | 0.0-0.0 | Q | суглинки покровные | ||
2 | 0.0-10.6 | gl Q | суглинки тёмно-бурые, с валунами и галькой кристаллических пород, водоносные | 0.0 | 0.0 |
3 | 10.6-58.0 | al Q | пески разнозернистые, плохо отсортированные с галькой, водоносные | 22.0 | 22.0 |
4 | 58.0-63.2 | C1 | глина красно-бурая, огнеупорная | ||
5 | 63.2-67.4 | C1 | известняки белые, трещиноватые, водоносные | 63.2 | 22.0 |
6 | 67.4-73.6 | C1 | глина огнеупорная | ||
7 | 73.6-78.0 | D3 | известняки и доломиты трещиноватые, водоносные | 73.6 | 22.0 |
Скважина 5. Абсолютная отметка устья 213 м. На расстоянии 28 м. от скважины 4. | |||||
1 | 0.0-9.6 | Q | суглинки покровные | ||
2 | 9.6-19.6 | gl Q | суглинки тёмно-бурые с валунами и галькой кристаллических пород, водоносные | 9.6 | 9.6 |
3 | 19.6-76.8 | al Q | пески разноцветные, плохо отполированные с галькой, водоносные | 23.0 | 23.0 |
4 | 76.8-80.0 | D3 | известняки и доломиты трещиноватые, водоносные | 76.8 | 23.0 |
Раздел 5.
Вопросы к зачёту по курсу.
1. Предмет, цель, задачи гидрогеологии как науки, история её развития и практическое значение.
2. Гидрогеологический разрез земной коры.
3. Геологический круговорот воды.
4. Теория происхождения подземных вод.
5. Водно-коллекторские свойства горных пород.
6. Виды воды в горных породах.
7. Элементы гидрогеологического разреза.
8. Классификация подземных вод.
9. Химический состав подземных вод.
10. Процессы формирования химического состава подземных вод.
11. Зональное строение артезианских бассейнов.
12. Инфильтрация, фильтрация, скорость фильтрации.
13. Гидродинамические элементы фильтрационного потока. Типы потоков по структуре.
14. Основной закон фильтрации.
15. Режим и баланс подземных вод.
16. Факторы и условия формирования подземного стока.
17. Теплоперенос с подземными водами.
18. Основные типы подземных вод.
19. Подземные воды питьевого назначения.
20. Подземные воды промышленного назначения.
21. Минеральные лечебные подземные воды.
22. Термальные подземные воды.
23. Классификация запасов и ресурсов подземные вод. Поиск и разведка подземных вод.
24. Охрана подземных вод от истощения.
25. Классификация источников загрязнения подземных вод.
26. Охрана подземных вод от загрязнения.
27. Методы гидрогеологических исследований.
Литература, рекомендуемая по курсу.
1. и др. Сборник задач по общей гидрогеологии. М.: Недра, 1985.
2. , , Семенова-Ерофеева задач по общей гидрогеологии. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Недра, 1985. 412 с.
3. Гидрогеология. Под ред. и . М.: МГУ, 1984 - 320 с.
4. , Богданов гидрогеология. М.: Недра, 1977 - 360 с.
5. , . Гидрогеохимия. М.: Недра, 1992.
6. Ланге : Учеб. М.: Высш. шк., 1969. 364 с.
7. , Практикум по гидрогеологии и инженерной геологии. Тюмень, 1975.
8. Михайлов Л.: Гидрометеоиздат, 1985.
9. Основы гидрогеологии. Общая гидрогеология / Под ред. . Новосибирск: наука, 1980. 231 с.
10. Справочник по охране геологической среды. Т. 2. Под. ред. . Ростов на Дону: Феникс, 1996.
11. Справочное руководство гидрогеолога: В 2 Т. / Под ред. , 3-е изд., перераб. и доп. Л.: Недра, 1979. Т. 1. 512 с.; Т. 2. 295 с.
12. де. Гидрогеология с основами гидрологии суши: В 2 т. М.: Мир. Т. 1. 1969. 311 с.; Т. 2. 1970. 356 с.
13. , Кравченко по динамике подземных вод: Учеб. пособие. 3-е изд. испр. и доп. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1987. 222 с.
