Курс лекций по инженерной геологии (стр. 28 )

Грунтовые воды залегают на некоторой глубине от поверхности Земли в пористых (паровые воды), трещиноватых (трещинные воды) или в закарстованных горных породах (карстово-трещинные воды), подстилающихся первым от поверхности Земли хорошо выдержанным слоем водоупорных горных пород. Следовательно, грунтовые воды образуют первый от поверхности выдержанный водоносный горизонт. Вследствие отсутствия у них водоупорной кровли они получают питание за счет инфильтрации и конденсации атмосферной влаги на всей площади распространения; площади питания и распространения совпадают. В питании грунтовых вод могут принимать также участие воды рек, каналов, озер, водохранилищ, а также воды нижерасположенных водоносных горизонтов.

Поверхность грунтовых вод называется зеркалом (скатерть) грунтовых вод, ниже которого до водоупорного ложа все пустоты в горной породе заполнены гравитационной подземной водой, т. е. водой, способной перемещаться из повышенных мест в пониженные под действием силы тяжести. Та часть водоносного слоя, в которой все пустоты заполнены подземной водой, называется зоной насыщения. Выше зеркала грунтовых вод располагается зона аэрации, к верхней части которой приурочены почвенные воды, а к нижней (непосредственно у зеркала грунтовых вод)—воды капиллярной каймы (бахрома). В ней водой заполнены лишь отдельные капиллярные пустоты. Мощность капиллярной каймы для различных пород различна: в крупнозернистых галечниках, в трещиноватых и закарстованных породах, где пустоты крупные, капиллярная кайма практически отсутствует; в мелкозернистых песках мощность ее достигает 0,25 м; в легких суглинках — 0,90 м, а в более мелкозернистых породах мощность ее еще больше. В областях с жарким климатом воды капиллярной каймы вызывают засоление почв, участвуют и в формировании коры выветривания (хлоридной, сульфатной, карбонатной). Так, в ряде районов Каролинской степи и в других пустынных районах Средней Азии в процессе капиллярного подъема подземной воды образуется скопление пористого почвенного гипса, мощность которого в современных шорах достигает 2—2,5 м, а в доисторических — нескольких десятков метров.

В средней части зоны аэрации нет пор, постоянно заполненных водой. Через нее лишь происходит питание нижележащего водоносного горизонта. Однако наблюдаются случаи слияния почвенных и грунтовых вод в местах, например, заболачивания, интенсивного орошения полей, а также при Дружном таянии снега:

Подземные воды, накапливающиеся в виде линз над слабопроницаемыми пропластками (в период обильных осадков или обильного таяния снега) в зоне аэрации, рядом гидрогеологов выделяются в особый класс — “верховодка”. Эти воды сезонные, поэтому они не имеют большого практического значения.

Амплитуда температурных колебаний грунтовой воды меньше, чем у почвенной. Если грущювые воды встречаются на глубине нескольких метров, то они никогда (кроме областей многолетней мерзлоты) не промерзают, температура их значительно не понижается зимой и не повышается летом. Летний прогрев и зимнее охлаждение поверхности Земли с резким запаздыванием достигают уровня грунтовых вод, поэтому грунтовые воды в колодцах кажутся прохладными летом и теплыми зимой.

По качеству грунтовые воды довольно различны. Если вмещающие их горные породы содержат небольшое количество растворимых веществ, то и вода в них пресная, мягкая. Если грунтовые воды протекают по горным породам с большим содержанием легкорастворимых солей (NaCl и др.), могут образоваться рассолы, которые нередко используются для выварки из них поваренной соли (воды северо-восточных районов европейской части СССР). Солоноватая и соленая грунтовая вода встречается в пустынях, где расходование подземных вод на испарение резко превышает их пополнение в пределах самой пустыни.

В местах близкого залегания к поверхности Земли грунтовые воды могут быть загрязненными, так как не имеют над собой водонепроницаемой кровли.

Зеркало грунтовых вод редко бывает горизонтальным; последнее наблюдается лишь там, где имеются участки с застойной грунтовой водой, называемые бассейнами грунтовых вод (обычно в местах понижения водоупорного ложа). Чаще поверхность грунтовых вод в сглаженном виде повторяет рельеф поверхности, несколько повышаясь под - холмами и понижаясь между ними. По направлению уклона зеркала грунтовых вод образуются потоки грунтовых вод, подчиняющиеся силе тяжести.

Если водоносный слой пересекается долиной реки, срезается берегом озера или моря, то грунтовая вода выходит на поверхность в виде выпотов, или мочежин, вдоль всего подножья водоносного слоя, а в местах понижения водоупорного слоя или увеличения трещиноватости нередки сосредоточенные выходы грунтовых вод — родники (источники). Источники, образованные грунтовыми водами, нисходящие — безнапорные. В местах выхода источников происходит разгрузка (дренаж) грунтовых вод. Поверхность потока грунтовых вод, снижаясь в сторону выхода их, образует плавную кривую поверхность, носящую название депрессионной поверхности. Она может иметь уклон в сторону озера, реки или от них. В первом случае поверхностные воды питаются за счет подземных вод, во втором  подземные за счет поверхностных. Соотношение уровня грунтовых вод и уровня рек зависит прежде всего от климата местности. В условиях влажного и умеренного климата реки питаются грунтовыми водами (Волга, Днепр, Ока), а в местностях с засушливым климатом чаще грунтовые воды питаются за счет рек (низовья Аму-Дарьи и Сыр-Дарьи). На соотношение уровней подземных и поверхностных вод существенно влияет деятельность человека, проявляющаяся особенно активно в нашей стране, где за годы Советской власти построены многочисленные водохранилища, проведены крупные оросительные каналы.

Скорость движения грунтовых вод по сравнению со скоростью движения воды в реках невелика. Даже в крупных галечниках и сильно трещиноватых породах она не превышает 100 м/сут, в крупнозернистых песках падает до 15—20 м/сут, а в мелкозернистых песках — до 1—5 м/сут. В слабоводопроницаемых породах воде для прохождения нескольких сот метров требуются месяцы.

Грунтовые воды безнапорные. При вскрытии их колодцами, буровыми скважинами вода в них не поднимается. При отборе воды из колодца вокруг него образуется воронкообразное понижение грунтовых вод. Глубина залегания зеркала грунтовых вод на различных участках неодинакова. Чаще наблюдаются глубины от 0 до 20м в зависимости от глубины залегания водоупорнoго ложа.

Качество и количество грунтовых вод даже в пределах одной и той же зоны подвержены значительным и разнообразным сезонным колебаниям, зависящим от режима выпадающих осадков, режима поверхностных водотоков, с которыми они связаны, от площади питания и от других природных и искусственных факторов. Поэтому режим грунтовых вод (изменение их уровня, состава температуры и других физических свойств во времени) изучается специальными Государственными режимными станциями. Полученный при этом материал дает возможность наиболее полно охарактеризовать водоносный горизонт и дать прогноз о возможных изменениях качества и количества воды, что имеет большое значение при решении народнохозяйственных задач по использованию грунтовых вод и по борьбе с ними.

Грунтовые воды, не подчиняющиеся зональности (азональные грунтовые воды), встречаются в аллювии речных долин, протягивающихся иногда на тысячи километров и потому пересекающих несколько зон. В питания этих вод большое участие наряду с атмосферными осадками принимают речные и грунтовые воды, притекающие со стороны коренных склонов долины и из аллювия боковых притоков. Очевидно, что в аллювиальных отложениях небольших (особенно равнинных) рек, где аллювий обычно обогащен глинистыми частицами, грунтовые воды не обильны. В долинах крупных рек, таких, как Волга, Днепр, где аллювиальные отложения представлены средне - и крупнозернистыми, песками и достигают нескольких десятков метров мощности, грунтовые воды очень обильны. Обильные потоки грунтовых вод встречаются в древних водно-ледниковых долинах, сложенных в основном крупнозернистыми песками и занимающих обширные пространства. В местах сужения долин или уменьшения мощности аллювиальной толщи, а также при обогащении аллювия пролювием в местах впадения временно действующух притоков происходит выклинивание вод из аллювия часто в виде группы родников. К грунтовым водам относятся также воды в трещиноватых и закарстованных горных породах, выходящих на дневную поверхность. Грунтовые воды в трещиноватых породах сосредоточены в пределах коры выветривания. В этих областях в период таяния снегов и обильных дождей по долинам появляется много родников с малыми расходами.

Межпластовые воды отличаются от грунтовых наличием водоупорной кровли. Благодаря этому поверхностные воды не могут просочиться до межпластовых на всей площади их распространения. Область питания межпластовых вод иногда удалена от места их расходования на сотни километров.

Если межпластовые водоносные горизонты вскрываются речной долиной или глубоким оврагом и образуют нисходящие родники, то в данном случае подземная вода притекает из области питания в речную долину по наклонной поверхности водоупорного ложа. Такая межпластовая вода носит название нисходящей. Она не заполняет полностью водоносного слоя и характеризуется, так же как грунтовая вода, ненапорной поверхностью. Нисходящие межпластовые водоносные горизонты могут располагаться несколькими этажами. При вскрытии их оврагом или долиной реки родники также располагаются несколькими этажами (побережья рек Волги, Дона, Оки).

В тех случаях, когда межпластовый водоносный горизонт не имеет - свободного выхода на поверхность, накапливающаяся в нем вода заполняет  его до водоупорной  кровли  и вследствие этого находится под гидростатическим напором. Высота напора подземной воды зависит от того, насколько область питания водоносного слоя превышает область расходования межпластовой воды. При вскрытии напорных вод буровым колодцем вода в нем поднимается выше водоупорной кровли и притом тем выше, чем больше гидростатический напор, обусловленный величиной превышения зоны питания над зоной разгрузки. В колодцах, заложенных в пониженных участках рельефа, вода может изливаться на поверхность или даже фонтанировать, если пьезометрический, или напорный, уровень вод выше, чем абсолютная отметка устья выработки в данной точке рельефа.