Грунтовые воды – это подземные воды первого водоносного горизонта, находящегося на уровне, который максимально близок к поверхности земли и связан с регистрирующим водоупором, что делает их важным элементом гидрогеологии.
Что такое грунтовые воды?
Под термином «грунтовые воды» следует понимать один из ключевых типов водоносных горизонтов, который обозначен в классификациях подземных вод. Эти воды находятся на первом водоупоре, в непосредственной близости от поверхности, поэтому их часто называют подпочвенными водами. Из-за расположения на небольшой глубине, грунтовый водоносный горизонт получает постоянную подпитку от атмосферных осадков, таких как дождь и снег, что обеспечивает ему значительную площадь распределения.
Несмотря на свою значимую роль, горизонт грунтовых вод имеет незначительную мощность и отличается высоким уровнем неравномерности распределения воды. Это связано с отсутствием единообразной водонепроницаемой кровли, что в свою очередь вызывает значительные сезонные колебания уровня воды и ее дебита. Над грунтовыми водами находится так называемая верховодка — водные скопления, никак не относящиеся к водоносным горизонтам, которые находятся в прямом контакте с атмосферой и представляют собой временные образования.
В течение влажных сезонов уровень грунтовых вод увеличивается благодаря дождям, таянию снега, а также разливам рек и озер. Эти подземные воды имеют гидравлическую связь с поверхностными водоемами, учитывая, что уровень воды в реках и озерах может существенно влиять на уровень грунтовых вод. Наиболее мощными источниками, питающими грунтовые воды, служат речные долины, предгорные области и участки, где расположены водоносные трещиноватые известняки. В условиях сухой погоды, такие как знойное лето или морозная зима, уровень грунтовых вод может значительно понижаться, иногда вплоть до полного пересыхания. Это явление связано с тем, что объем испарения в жаркие дни превышает количество осадков, а в зимний период, когда почва промерзает на глубину около 1,8 метра, поступление жидкой воды из атмосферы также прекращается.
Колодец, который получает воду из грунтовых вод.
Грунтовые воды, как правило, ненапорные и движутся благодаря гравитационным силам. Когда вода проникает через рыхлые осадочные породы, значительная ее часть может уйти на более глубокие уровни — например, в песчаный и артезианский водоносные горизонты. Песчаный водоносный горизонт, как правило, менее подвержен влиянию атмосферы, чем грунтовый, тогда как артезианский водоносный горизонт вообще остается вне контроля климатических факторов. Вода в артезианских скважинах остается на одном уровне и с одинаковым дебитом и зимой, и летом, что делает ее надежным источником для бесперебойного водоснабжения.
Глубина залегания грунтового водоносного горизонта варьируется в зависимости от рельефа местности: в местах с резким рельефом, обрезанным долинами рек и оврагами, такой горизонт может залегать значительно глубже в сравнении с равнинными участками. Вдоль крутых склонов вода стекает вниз и может выходить на поверхность в виде родников.
Родник, который является явным примером выхода грунтовых вод на поверхность.
Развитая растительность, включая кустарники и деревья, а также их корневая система способствуют задержке атмосферных осадков, что в свою очередь создает более благоприятные условия для подпитывания грунтовых вод. В разных природных зонах размещение грунтовых вод варьируется по глубине. Например, в Подмосковье грунтовые воды могут находиться на расстоянии всего нескольких метров от поверхности, тогда как в засушливых южных регионах, где уровень осадков значительно ниже, они могут находиться на глубине от 50 до 100 метров. В тундровых зонах уровень грунтовых вод зачастую совпадает с уровнем поверхности почвы.
Характеристики грунтовых вод
Грунтовые воды, как правило, являются безнапорными и наблюдаются только в рыхлых, водопроницаемых грунтах. Когда родник проявляется на поверхности из скалы, это указывает на наличие в твердых породах системы трещин или пор, через которые движется вода. Если говорить о размещении и движении грунтовых вод, их можно классифицировать по различным типам:
Подземные воды располагаются в различных породах, которые отличаются по своему типу. В зависимости от таких различий общий объем подпочвенных вод в определенной местности может сильно меняться:
- Водоносные породы: песок, галечник, гравий.
- Водоносные водоупорные породы: граниты и глины.
- Растворимые породы: гипс, доломит, мел.
Эрозия известняка грунтовыми водами приводит к образованию карстовых форм.
Эти геологические слои могут располагаться как горизонтально, так и под углом, а также прерываться и пересекаться. Все эти особенности оказывают прямое влияние на количество и поведение грунтовых вод. Бывает, что грунтовые воды из-за сложного геологического строения находятся между двумя водоупорами. В таком случае область питания водоносного горизонта, то есть территория, с которой атмосферная и поверхностная вода попадает в грунт, может находиться не прямо над горизонтом, а в стороне, где расположены верхние водоупоры.
Карстовый провал, получившийся в результате вымывания грунтовыми водами.
При движении грунтовых вод в рыхлых породах случается явление, известное как суффозия — вымывание частиц под воздействием потока воды. Это может приводить к образованию пустот, а в определенных условиях даже к появлению карстовых пещер. В результате таких процессов возможны проседания почвы и возникновение провалов. Химическая суффозия пьянит собой растворение гидрокарбонатов и солей, что тоже может увеличивать минерализацию воды.
Минеральные соли и другие полезные элементы составляют практически любую подземную жидкость. В отличие от пресной воды, состав подземной воды формируется на протяжении многих лет под влиянием различных природных факторов. Изменение ее структуры происходит только в зависимости от источников.
Характеристика грунтовых вод
Поверхность грунтовых вод свободна, так как они, как правило, находятся в ненапорном состоянии. В отдельных случаях, где имеются местные водонепроницаемые слои, грунтовые воды могут образовывать временные напорные зоны. Области питания и распространения грунтовых вод совпадают, что подчеркивает их чувствительность к атмосферным изменениям — они реагируют на количество осадков, изменяющееся водоснабжение и уровень водоемов, что влияет на их уровень и объем. Сезонные и многолетние колебания уровней грунтовых вод могут достигать 20 метров и более, что имеет важное значение для проектирования и строительства различных объектов. Вблизи рек и водоемов изменения уровня, объема и химического состава грунтовых вод зависят от гидравлической связи с поверхностными водами. Сток грунтовых вод за длительные периоды в целом составляет приблизительно равное количество воды, которое поступает в грунт через инфильтрацию.
Различия в условиях формирования грунтовых вод объясняют их пространственное распределение, которое непосредственно связано с изменениями климата, а также характером почвы и растительного покрова. В лесных, лесостепных и степных районах распространены пресные (или слабоминерализованные) грунтовые воды, в то время как в засушливых степях, полупустынях и пустынях на равнинных участках чаще встречаются соленые воды, и лишь в отдельных местах можно найти пресную воду. Наиболее значительные запасы грунтовых вод сосредоточены в аллювиальных отложениях речных долин и в предгорных конусах, также они часто находятся в неглубоко залегающих трещиноватых и закарстованных известняках, а реже в трещиноватых изверженных породах.
Применение грунтовых вод
Из-за относительно слабой защиты от загрязнений грунтовые воды имеют ограниченные возможности для использования в качестве источников водоснабжения для промышленных предприятий и городов. Тем не менее, в сельской местности они играют важную роль в водоснабжении поселков и небольших населенных пунктов. В зависимости от степени антропогенного воздействия на грунтовые воды выделяют различные режимы: естественный, слабонарушенный, нарушенный, сильнонарушенный и искусственный.
Искусственные режимы в основном формируются под влиянием техногенных факторов, таких как активное использование грунтовых вод и орошение сельскохозяйственных угодий в аридных зонах. Естественные многолетние изменения в режиме грунтовых вод могут иногда приводить к активизации процессов, таких как оползни, карстово-суффозионные процессы, подтопление территорий и угнетение экосистем.
В России для исследования закономерностей формирования и прогнозирования режима грунтовых вод организованы государственные и ведомственные службы, которые занимаются гидрогеологическим мониторингом. Подготовлена нормативно-методическая база для ведения мониторинга и прогнозирования изменений как в краткосрочной, так и в долгосрочной перспективе.
Источники: Общая гидрогеология. Климентов П.П. —М., 1980; Изучение, прогноз и картирование режима грунтовых вод. Семенов С. —М., 1980; Гидрогеология. Саваренский Ф.П. —М., 1935.
Во многих селах и небольших поселках до сих пор распространены традиционные методы добычи воды, такие как использование колонок и колодцев. Для определения глубины залегания грунтовой воды зачастую обращаются к профессиональным рабочим, обладающим специализированными техническими приборами, например, геодезистам, что значительно упрощает процесс, делая его менее трудоемким.
Грунтовые воды
Грунтовые воды представляют собой первый устойчивый водоносный горизонт, ближайший к поверхности почвы и находящийся на уровне первого водоупора. Из-за этого их поверхность в основном свободна, за исключением некоторых случаев, когда над ними располагаются плотные породы — водонепроницаемые слои.
Из-за небольшого залегания грунтовые воды чувствительны к изменениям погодных условий, таких как количество атмосферных осадков, движение поверхностных вод и уровень водоемов. Все эти факторы имеют существенное влияние на подпитку подземных вод. Отличительной чертой грунтовой воды является ее ненапорное состояние. Существуют также временные формирования, известные как верховодка, представляющие собой скопления воды в верхнем водонасыщенном слое грунта над водоупорами из глин и суглинков, характеризующиеся низкой фильтрацией.
Состав и поведение грунтовых вод непостоянны и зависят как от природных условий, так и от антропогенной деятельности. Горизонт грунтовой воды является изменчивым, что обусловлено свойствами горных пород, их водосодержанием, близостью водоемов и рек, а также климатическими условиями, включая температуру и влажность, которые влияют на уровень испарения.
Человеческая деятельность, такая как мелиорация, гидротехнические сооружения и подземные добычи полезных ископаемых, играет все более заметную роль в изменении состояния грунтовых вод. Также значительное воздействие на состав грунтовых вод оказывает агрономическая практика с применением минеральных удобрений, пестицидов и ядохимикатов, а также загрязнения от промышленных сточных вод.
Грунтовая вода является легкодоступным ресурсом, и при бурении скважины или копании колодца чаще всего получают именно ее. Однако эта вода может быть подвержена загрязнению, так как она максимально зависит от состояния верхних слоев почвы и может служить индикатором загрязненности. Все виды загрязнения, включая утечки из систем канализации, свалки, применение пестицидов на полях и выбросы нефтепродуктов, легко проникают в грунтовые воды.
Грунтовая вода и проблемы для строителей
Морозное пучение грунтов напрямую связано с наличием грунтовых вод. Повреждения от деятельности морозного пучения могут быть массивными и приводить к существенным разрушениям. Когда грунтовые воды замерзают, глинистые и суглинистые слои почвы получают значительное количество воды из нижнего водоносного горизонта, что может способствовать образованию ледяных прослоек.
Исключительно высокое давление на нижние части зданий может достигать 200 МПа (или 3,2 тн/см²), и это вовсе не предел. В дополнение, сезонные изменения в грунте могут составлять десятки сантиметров. Если не будут предусмотрены меры противодействия силам морозного пучения, последствия могут быть весьма разнообразными: выталкивание фундаментов, затопление подвалов, разрушение дорожных покрытий, размывание и затопление котлованов и других сооружений, что создаст дополнительные проблемы.
Также, помимо физических повреждений, грунтовые воды могут воздействовать на фундаменты и химически, что зависит от их агрессивности. При проектировании необходимо учитывать степень агрессивности грунтовых вод, проводя как геологические, так и гидрологические изыскания.
Влияние грунтовых вод на бетон
Агрессивность грунтовых вод по отношению к бетону можно классифицировать по различным параметрам, мы подробнее рассмотрим их ниже.
По общекислотному показателю
Если уровень водородного показателя рН ниже 4, то считается, что вода обладает высокой агрессивностью для бетона. При значениях рН выше 6,5 — агрессивность минимальная. Однако даже вода с маленьким уровнем агрессивности требует защиты бетона с помощью гидроизоляции. Важно отметить, что влияние агрессивных факторов воды зависит от типа бетона и используемых вяжущих компонентов, а также от марки цемента.
Выщелачивающие, магнезиальные и углекислотные воды
Эти виды воды так или иначе влияют на разрушение бетона или способствуют его эрозии, уменьшению прочности и долговечности.
Сульфатные воды
Сульфатные воды считаются одними из наиболее агрессивных для бетона. Ионы сульфатов, проникая в бетон, вступают в реакцию с кальциевыми соединениями, в результате чего образуются кристаллогидраты, которые могут привести к вспучиванию и впоследствии разрушению бетона.
