4.4: Якісні аспекти підземних і підземних вод

На малюнку 4-14 показано вертикальний перетин через репрезентативну ділянку земної поверхні, що показує деякі важливі особливості розподілу підземних вод. Частина надр, що лежить над рівнем грунтових вод, називається зоною вадози або аерованою зоною або ненасиченою зоною. Більшу частину часу порові простори в зоні вадози займають переважно повітря (плюс локально генеруються гази); лише відразу після сильного дощу порові простори заповнені водою, що просочується вниз. Частина підземної зони, що лежить нижче рівня грунтових вод, називається фреатической зоною або насиченою зоною. У фреатичній зоні порові простори завжди заповнені водою.

Малюнок 4-14. Вертикальний перетин через репрезентативну горбисто-долинну ділянку поверхні землі, показуючи особливості розподілу грунтових вод.

Насправді межа між зоною вадози і фреатичної зоною (тобто залягання грунтових вод) не є гострою і чітко окресленою поверхнею: це нечітка зона переходу. Це через капілярний підйом води вгору в порові простори самої нижньої частини фреатичної зони. (Див. розділ фону про поверхневий натяг і капілярність раніше в главі.) Зона часткового насичення називається капілярної бахромою. Його товщина коливається від сантиметра або двох, у грубих гравіях, до цілих пари метрів, в дрібних багатих мулом відкладеннях. Причина того, що існує градація ступеня насичення, полягає в тому, що внаслідок поширення розмірів частинок сусідні порові простори широко змінюються за своїм ефективним розміром.

Топографія залягання грунтових вод імітує рельєф самої поверхні землі: вона висока під пагорбами і низька під долинами. Але рельєф залягання грунтових вод більш приглушений, ніж земної поверхні, тому що глибина до залягання грунтових вод найбільша під пагорбами і найменше під долинами. По суті, рівень грунтових вод перетинає поверхню суші біля річок і озер і джерел. Це не повинно дивуватися вам, якщо ви думаєте про річки та озера як про місця, де постійно насичена зона виходить з-під мантії пористого середовища!

Немає необхідної залежності між рівнем ґрунтових вод (поверхнею контакту між зоною вадози та фреатичною зоною), з одного боку, та контактом між породою та реголітом, з іншого боку. У районах з відносно тонкою мантією реголіту і відносно глибоким заляганням води рівень води лежить здебільшого в межах породи (рис. 4-15А). Однак у районах з відносно товстою мантією реголіту і відносно мілководним заляганням ґрунту води лежить здебільшого в межах реголіту (рис. 4-15Б). У Новій Англії обидві крайності поширені, в основному через сильно змінну глибину реголіту в результаті льодовикової ерозії, транспортування та осадження реголіту під час останнього льодовикового періоду.

Малюнок 4-15. Рівень ґрунтових вод vs. положення контакту реголіту — основи.

На малюнку 4-16 показана запис рівня рівня ґрунту води в свердловині, розташованій як показано на малюнку 4-14 протягом представницького року. У цій місцевості рівень води коливається вертикально приблизно на десять футів протягом року. Коливання можуть бути значно меншими або більшими, ніж це, частково залежно від мінливості опадів, але також дуже важливо від проникності підповерхневого матеріалу. Очевидно, що рівень води, як правило, високий під час весняних та осінніх дощових періодів та низького під час літніх посух. Але рівень води, як правило, низький і взимку, тому що земля на поверхні промерзає на глибину метра або навіть більше, запобігаючи або, принаймні, перешкоджаючи підживленню, тоді як грунтові води на більшій глибині продовжують текти і тим самим знижувати рівень води. (Термін поповнення використовується для опису поповнення підземних вод у підземному регіоні, з якого ґрунтові води раніше вилучалися природним шляхом або людською діяльністю.) Ще одна примітна річ про рекорд на малюнку 4-16 - це те, що рівень води піднімається швидше, ніж падає. Це пов'язано з тим, що перезарядка передбачає перколяцію вертикально вниз через відносно тонкий шар пористого матеріалу, тоді як дренаж передбачає більш повільне переміщення грунтових вод через великі відстані вниз низькими градієнтами гідравлічного напору.

Малюнок 4-16. Представницький запис рівня залягання грунтових вод в свердловині.

Ось випадкова замітка про глибину колодязів води. Зазвичай свердловину бурять набагато нижче рівня місцевого рівня ґрунту води, з двох причин:

• стежити за тим, щоб дно колодязя залишалося нижче рівня води навіть під час сильних посух;
• щоб опуститися нижче рівня забруднених приповерхневих вод (але проблема полягає в тому, що навіть глибші води не залишаються незабрудненими назавжди!).

Ціни, які платять за більш глибокі свердловини (окрім вартості долара за фут свердловини):

• як правило, чим глибше свердловина, тим менше пористість і проникність середовища, і тим менше швидкість надходження в свердловину;
• Чим повільніше надходження в свердловину, тим більше час перебування грунтових вод в пористому середовищі, тим більше час, доступний для поглинання іонів із середовища, тим важче вода.

Водоносний шар - це будь-яке тіло пористого матеріалу в Землі (гірська порода або реголіт) з достатнім обсягом і пов'язаною пористістю для отримання помітної води в свердловини або джерела. Водоносні горизонти містять відносно велику дренажну пористість, відносно великий обсяг і відносно високу проникність. Поняття водоносного горизонту є пухким, частково через ці підлі слова помітні та відносно: Термін використовується для будь-якого обсягу підземного матеріалу, який є хорошим виробником або потенційно хорошим виробником води щодо навколишніх обсягів надр. Мінімальні бічні розміри того, що називаються водоносними горизонтами, можуть становити лише десятки метрів, а мінімальні вертикальні розміри можуть становити лише кілька метрів. Великі водоносні горизонти, однак, можуть мати бічні розміри в сотні кілометрів і вертикальні розміри багато десятків метрів.

Протилежне поняття - це водоносний ключ: будь-яке тіло підповерхневого матеріалу, через яке вода може переміщатися лише з незначними темпами або, принаймні, зі швидкістю набагато меншою, ніж через сусідні водоносні горизонти. Також термін аквітард використовується для будь-якого тіла підземного матеріалу, через який грунтові води рухаються повільно, щодо деякого сусіднього водоносного шару, але не так повільно, щоб бути незначним, як у водоносному горизонті.

Водоносні горизонти можна класифікувати на чотири види (рис. 4-17):

1. безмежний водоносний горизонт: водоносний шар, в якому грунтові води знаходяться в безпосередньому контакті з вищерозташованої атмосферою через пов'язаний поровий простір.
2. обмежений водоносний шар: водоносний шар перекривається водоносним ключем, так що він не контактує з атмосферою, за винятком деякої області підживлення вгору за течією.
3. дірявий водоносний горизонт: обмежений водоносний горизонт, верхній водоносний шар якого дозволяє деяке незначне проходження грунтових вод у водоносний шар або з нього.
4. розташований водоносний горизонт: необмежений водоносний шар, присутній над неглибоким і латерально обмеженим водоносним горизонтом.

Водоносні горизонти і водоносні пласти можуть існувати як в регіональних, так і в локальних масштабах. На малюнку 4-18 показано перетин через таку систему. Високопористий і проникний осадовий пласт, як добре відсортований і погано цементований пісковик, перекривається високонепроникним сланцем у великій області з дуже низькими кутами занурення пластів. Свердловини можуть відступати замкнутий водоносний горизонт на відстані сотень кілометрів від зони підживлення, де пласт водоносного шару оголюється на поверхні. Зверніть увагу, що є також набагато більш дрібний необмежений водоносний горизонт, який отримує свою воду набагато локально.

Малюнок 4-17. Схематичний вертикальний переріз із зображенням різних видів водоносних горизонтів.

Малюнок 4-18. Схематичний вертикальний переріз, що показує регіональну протяжність водоносних горизонтів та водоносних шарів.

Якщо поверхневий ухил регіону більше ухилу поверхні гідравлічного напору, пов'язаного з регіональним замкнутим водоносним горизонтом, свердловина, пробурена до замкнутого водоносного шару, буде виробляти водний потік біля поверхні грунту, при цьому немає необхідності в відкачуванні (рис. 4-19). Така свердловина називається артезіанської свердловиною. На малюнку 2-20 показана домашня аналогія, в якій ви поливаєте свій сад шлангом, що веде з підвищеного резервуара з водою. У даній ситуації сопло шланга є своєрідною артезіанською свердловиною. І, в широкому сенсі, якщо ви живете в районі з центральним муніципальним водопостачанням, всі крани у вашому будинку або квартирі є артезіанськими свердловинами!

Малюнок 4-19. Схематичний вертикальний переріз із зображенням характеру артезіанських свердловин.

Малюнок 4-20. Домашня аналогія для артезіанських свердловин.

Ось ще одна концепція, яка корисна в роботі з запасами грунтових вод: Питомий вихід водоносного шару - це відношення обсягу води, що стікає з водоносного шару (при зниженні рівня грунтових вод) до загального обсягу підданого дренажу водоносного шару . Питомий вихід, очевидно, залежить від пористості водоносного шару, але він також залежить від розміру порових просторів, оскільки деяка кількість води завжди прилипає до поверхонь твердих матеріалів водоносного шару, як у вигляді тонких плівок на поверхнях, так і у вигляді галтелів у зворотних, так і менших розмір порових просторів, тим більший відсоток загальної пористості, яка залишається зайнятою цією прилипає водою. Це поняття питомої врожайності аналогічно поняттю польової ємності ґрунту.

Я ще нічого не сказав про закономірності течії в межах типового водоносного шару. Складнощі полягають у течії через глибокі необмежені водоносні горизонти, оскільки неглибокі необмежені водоносні горизонти (як на рис. 4-12) або замкнуті водоносні горизонти (як на малюнку 4-18) можуть розглядатися приблизно як потік у річках або закритих протоках. Схеми течії в пористому середовищі є відповіддю на просторовий розподіл градієнтів динамічного тиску. Жодне просте твердження про закономірності руху не може бути зроблено без налаштування геометрії задачі і вирішення рівняння (по суті другий закон Ньютона, написаний у відповідній формі), яке керує рухом.

На малюнку 4-21 якісно показані схеми течії в типовому глибокому необмеженому водоносному шарі в районі нерегулярного рельєфу поверхні. Трохи нижче рівня води в районах, де ґрунт води похилий, потік такий, як можна було очікувати: вниз і паралельно до рівня води. Але біля гребеня ґрунту води потік майже вертикально вниз, а безпосередньо під тим, де рівень ґрунту води зливається з річками та озерами, потік майже вертикально вгору. У точках глибоко всередині водоносного шару напрямки течії не несуть явної схожості з поверхневим рельєфом ґрунту води.

Малюнок 4-21. Якісні схеми протікання в глибоких грунтових водах.