Питание рек подземными водами. Методики расчета подземного стока

СОДЕРЖАНИЕ 

1. Введение                                                                                  2-4стр.
2. Глава 1.  Происхождение подземных вод                         4стр.

1.1. Конденсационная теория                                       5-6стр

1.2. Инфильтрационная теория                                   7стр.

1.3.Седиментационная  теория                                     7-8стр.

1.4.Ювенильная  теория                                                 8-9стр.

3. Глава 2. Классификация  подземных вод                           10-11стр.

2.1.Верховодка                                                                 11-13стр.

2.2.Грунтовые  воды                                                       13-14стр.

2.3.Артезианские  воды                                                  14-15стр.

4.Глава 3. Питание рек подземными водами.                      16-17стр.

  Методики расчета  подземного стока                                   

5. Заключение                                                                             17-18стр.

6.Список  использованных источников                                 19стр. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

введение 

      Гидрогеология (от гидро – вода и геология) наука о подземных водах, изучающая их состав и свойства, происхождение, закономерности распространения и движения, а также взаимодействие с горными породами.

      Гидрогеология тесно связана с гидрологией  и геологией (в том числе и  с инженерной геологией), метеорологией, геохимией, геофизикой и другими  науками о Земле; опирается на данные математики, физики, химии и широко использует их методы исследования.

      Все воды земной коры, находящиеся ниже поверхности Земли в горных породах  в газообразном, жидком и твёрдом  состояниях, называются подземными водами. Подземные воды составляют часть  гидросферы – водной оболочки земного шара. Они встречаются а буровых скважинах на глубине до нескольких километров. По данным В.И. Вернандского, подземные воды могут существовать до глубины 60 км в связи с тем, что молекулы воды даже при температуре 2000^о С диссоциированы всего на 2%. Приблизительные подсчёты запасов пресной воды в недрах Земли до глубины 16 километров дают величину 400 миллионов кубических километров, т.е. около 1/3 вод Мирового океана.

      Накопление  знаний о подземных водах, начавшееся с древнейших времен, ускорилось с появлением городов и поливного земледелия. Искусство сооружения копаных колодцев до несколько десятков метров было известно за 2000-3000 тысячи лет до н.э. в Египте, Средней Азии, Индии, Китае. В этот же период появилось и лечение минеральными водами. В первом тысячелетии до нашей эры появились первые представления о свойствах и происхождении природных вод, условиях их накопления и круговороте воды на Земле (в работах Фалеса и Аристотеля – в Древней Греции; Тита Лукреция Кара и Витрувий – в Древнем Риме, и др.). Изучению подземных вод способствовало расширение работ, связанных с водоснабжением, строительством каптажных сооружений (например, кяризов у народов Кавказа, Ср. Азии), добычей соленых вод для выпаривания соли путем копания колодцев, а затем и бурения (территория России, 12-17 века). Возникли понятия о водах ненапорных, напорных (поднимающихся снизу вверх) и самоизливающихся. Последние получили в 12 веке название артезианских - от провинции Артуа (древнее название "Артезия") во Франции.

      В эпоху Возрождения и позднее  подземным водам и их роли в  природных процессах были посвящены  работы многих ученых - Агриколлы, Палисси, Стено и др. В России первые научные  представления о подземных водах  как о природных растворах, их образовании путем инфильтрации атмосферных осадков и геологической деятельности подземных вод были высказаны М.В.Ломоносовым в сочинении «О слоях земных» (1763 г.).

      До  середины 19 века учение о подземных  водах развивалось как составная  часть геологии. Затем оно обособляется в отдельную дисциплину.

      Общая гидрогеология изучает происхождение  подземных вод, их физические и химические свойства, взаимодействие с вмещающими горными породами. Изучение подземных  вод в связи с историей тектонических  движений, процессов осадконакопления и дианогенеза позволило подойти к истории их формирования и способствовало появлению в 20 веке новой отрасли гидрогеологии - палеогидрогеологии (учение о подземных водах прошлых геологических эпох).

      Динамика  подземных вод изучает движение подземных вод пол влиянием естественных и искусственных факторов, разрабатывает методы количественной оценки производительности эксплуатационных скважин и запасов подземных вод.

      Учение  о режиме и балансе подземных  вод рассматривает изменения  в подземных водах (их уровне, температуре, химическом составе, условиях питания и движения), которые происходят под воздействием различных природных факторов (атмосферных осадков, и условиях их инфильтрации, испарения, температуры и влажности воздуха и почвенного слоя, влияния режимов поверхностных водоемов, рек, техногенной деятельности человека). Во второй половине 20 века начали разрабатываться методы прогноза режима подземных вод, что имеет важное практическое значение при эксплуатации подземных вод, гидротехническом строительстве, орошаемом земледелии и решении других вопросов.

      Из 510 миллионов квадратных километров площади земного шара 361 млн. кв. км (70,7 %) занимают моря и океаны, образуя  единый Мировой океан, остальные 149 (29,3 %) млн. кв. км занимает суша. В северном полушарии на долю суши приходится 39,3 % площади полушария, в южном – 19,1 %. Об удельном весе элементов влагооборота и их влиянии на общий оборот воды в природе можно судить по данным, приводимым ниже:

      Таблица 1

      Под влиянием солнечной энергии с поверхности Мирового океана испаряется в среднем около 450,0 тыс. км³ воды. Некоторая часть этой влаги в виде пара переносится воздушными течениями на материки. При определенных условиях водяные пары конденсируются и выпадают в виде дождя, снега, града и т.п. Выпавшие на сушу атмосферные осадки стекают по склонам местности, образуя ручьи и реки, которые несут свои воды вновь в Мировой океан.

      Часть выпавших осадков испаряется, часть  просачивается в землю, образуя  подземные воды, которые подземным стоком поступают в ручьи и реки и, таким образом, также возвращаются в океан. Этот замкнутый процесс обмена между атмосферой и земной поверхностью называется круговоротом воды в природе.

           Таким образом, водность рек, используемых в народном хозяйстве в качестве источников воды, тесно связана с влагооборотом Земли и зависит от распределения воды между отдельными элементами круговорота воды в природе. 
 

Глава 1. Происхождение  подземных вод 

      Подземные воды формируются в основном из вод  атмосферных осадков, выпадающих на земную поверхность и просачивающихся (инфильтрующих) в землю на некоторую глубину, и из вод из болот, рек, озер и водохранилищ, также просачивающихся в землю. Количество влаги, прогоняемой таким образом в почву, составляет по данным А.Ф.Лебедева, 15-20 % общего количества атмосферных осадков.

      Проникновение вод в грунты (водопроницаемость), слагающих земную кору, зависит от физических свойств этих грунтов. В  отношении водопроницаемости грунты делятся на три основные группы: водопроницаемые, полупроницаемые и водонепроницаемые или водоупорные.

      К водопроницаемым породам относятся  крупнообломочные породы, галечник, гравий, пески, трещиноватые породы и т.д. К  водонепроницаемым породам –  массивно- кристаллические породы (гранит, порфир, мрамор), имеющие минимальную впитывать в себя влагу, и глины. Последние, пропитавшись водой, в дальнейшем ее не пропускают. К породам полупроницаемым относятся глинистые пески, лесс, рыхлые песчаники, рыхловатые мергели и т.п.

      Подземные воды в земной коре распределены в двух этажах. Нижний этаж, сложенный плотными магматическими и метаморфическими породами, содержит ограниченное количество воды. Основная масса воды находится в верхнем слое осадочных пород. В нем по характеру водообмена с поверхностными водами выделяют три зоны: зону свободного водообмена (верхнюю), зону замедленного водообмена (среднюю) и зону весьма замедленного водообмена (нижнюю). Воды верхней зоны обычно пресные и служат для питьевого, хозяйственного и технического водоснабжения. В средней зоне располагаются минеральные воды различного состава. Это – древние воды. В нижней зоне находятся высокоминерализованные рассолы. Из них добывают бром, иод и другие вещества. 
 
 

1. Конденсационная теория

           В IV в. до н. э. древнегреческий философ Аристотель высказал мнение, что хотя источником всех вод на Земле является влага атмосферы, питание рек происходит двояким путем: во-первых, дождевыми водами, которые в большем количестве выпадают в горах, во-вторых, и главным образом водами, которые образуются в многочисленных земных холодных пустотах в результате конденсации в них паров воды из воздуха, поступающего из атмосферы. Таким образом_, он (Аристотель) явился родоначальником конденсационной теории.

            В XIX в. (1877 г.) эту теорию особенно горячо пропагандировали О. Фольгер и его сторонники. Он утверждал, что в холодных пористых породах верхних слоев Земли происходит конденсация (сгущение) водяных паров воздуха, которая в итоге приводит к накапливанию подземных вод.

По теории Фольгера, процесс конденсации протекает  следующим' образом. Атмосферный воздух, содержащий водяные пары, проникает в поры почвы и нижележащих слоев горных пород и, соприкасаясь там с более холодной поверхностью частиц, отдает им часть своей влаги. Таким образом, на частицах пород происходит конденсация водяных паров воздуха, подобная росе, осаждающейся по утрам на охлажденной поверхности Земли.

            Гипотеза Фольгера имела много слабых сторон. В частности,_ при конденсации, как известно, выделяется тепло, которое уже через сравнительно короткое время должно повысить температуру пород зоны аэрации настолько, что дальнейшая конденсация станет невозможной. Подсчитано, что для образования столба воды высотой всего 2 мм необходимо, чтобы каждые полусутки (12 ч) через 1 м² поверхности земли ПРОХОДИJIО 1000 м³ воздуха, а в течение других полу суток возвращался в атмосферу. Следовательно, линейная скорость движения воздуха должна быть 83,3 м/ч. Такого активного воздухообмена между атмосферой и породами зоны аэрации нигде никто еще не наблюдал. Были и другие серьезные возражения против гипотезы Фольгера, которая имела умозрительный характер и не была подтверждена опытами.

              Только русский ученый А. Ф. Лебедев в результате широко поставленных экспериментальных работ и наблюдений на опытном поле (1907-1919 гг.) доказал возможность конденсации водяных паров воздуха в порах горных пород [5]. Принципиальным отличием доказательства Лебедева от гипотезы Фольгера является правильный анализ причин, вызывающих конденсацию влаги. А. Ф. Лебедев объясняет этот процесс разностью упругости водяных паров атмосферного и почвенного воздуха или водяных паров, находящихся в различных слоях зоны аэрации; разностью, вызывающей перемещение водяного пара из пространства с большей упругостью в пространство с меньшей упругостью. Такое передвижение влаги при ,относительной влажности воздуха, равной 100%, приводит к ее конденсации на поверхности частиц горной породы.