Грунтові води. Напірні (артезіанські) води
Грунтові води
Грунтові води знаходяться в першому від поверхні землі постійно існуючому горизонті вільних гравітаційних вод, в породах четвертинного періоду і значно рідше — в дочетвертинних відкладах.
Грунтові води містяться в породах найрізноманітнішого літологічного складу: гравій, пісок, суглинок, тріщини кристалічні породи, закарстовані вапняки і т. ін. Як правило, ці породи залягають у першому від поверхні водонепроникному шарі і не мають в покрівлі водотривких пластів. Остання обставина визначає досить характерну особливість всіх категорій ґрунтових вод, яка полягає в тому, що живлення їх за рахунок інфільтраційних, а частково, можливо, і конденсаційних процесів здійснюється на всій площі їх поширення.
Таким чином, грунтові води не мають напірних властивостей, а їх рівень в колодязях, свердловинах та інших виробках, які розкривають грунтові води, встановлюється відповідно до позначок вільної поверхні ґрунтових вод. Проте на окремих ділянках останні можуть мати невеликий напір, який зумовлюється лінзами водотривких порід, що залягають поблизу вільної поверхні ґрунтових вод (рис. 7).
Рис. 7. Схема утворення місцевих напорів у горизонті грунтових вод
При вивченні ґрунтових вод виділяють водотривке ложе, що складається з водотривкого пласта, на якому лежить водоносний шар, вільну поверхню, або дзеркало ґрунтових, вод. Порода, в якій міститься вода, називається водоносним шаром. Віддаль від дзеркала ґрунтових вод до водотривкого ложа характеризує потужність горизонту ґрунтових вод.
Оскільки горизонт ґрунтових вод залягає неглибоко, то він, як правило, зв'язаний з атмосферними і поверхневими водами (рис. 8).
Рис. 8. Різні випадки співвідношення поверхневих і ґрунтових вод
А — річка живиться ґрунтовими водами, вільна поверхня їх похилена до річки;
Б — річка живить грунтові води, поверхня ґрунтових вод похилена від річки;
В — річка живить правий берег і дренує лівий
Здебільшого грунтові води мають непостійний режим. В періоди дощів і весняного сніготанення їх рівні навіть при глибокому заляганні на вододілах помітно підіймаються. В посушливі літні місяці та взимку, коли інфільтраційне живлення ґрунтових вод практично припиняється, рівні ґрунтових вод знижуються. Більш помітно сезонність позначається на глибині залягання рівнів ґрунтових вод поблизу річкових долин, де висота стояння ґрунтових вод залежить від рівня річкових вод, який, як відомо, протягом року значно змінюється.
Таким чином, грунтові води знаходяться здебільшого в стані руху і створюють підземний потік ґрунтової води. Але іноді вони перебувають у відносному спокої й утворюють так званий басейн ґрунтової води (рис. 9).
Рис. 9. Схема басейну ґрунтової води:
1 — зона аерації;
2 — зона насичення
В природі трапляється, що грунтові потоки об'єднуються з ґрунтовим басейном, між якими стирається різка межа, швидкість руху потоків донизу постійно зменшується, і на певній глибині вода потоків стає уже відносно нерухомою.
Напірні води
Напірні (артезіанські) води – це підземні води, що залягають у водопрникному шарі, який підстелюється і перекривається водотривкими породами. Характер залягання, умови живлення і циркуляція визначають напірність артезіанських вод. Це значить, що при відкриванні артезіанського водоносного горизонту буровою свердловиною рівень води в ній піднімається вище покрівлі водоносного пласта. При достатньо високих напорах і задовільних умовах рельєфу артезіанські води в свердловині можуть фонтанувати і виливатись на поверхню.
Назву артезіанських ці води одержали від провінції. Артуа (Артезія) у Франції, де в 1126 р. вперше в Західній Європі був споруджений колодязь з самовиливаючою водою. Після цього артезіанськими стали називати не тільки підземні води, що самовиливаються, а й водоносні горизонти, включаючи водовмісну породу. Артезіанськими часто називають також свердловини, які зустрічають горизонт напірних вод. Останні, на відміну від ґрунтових, на більшій частині площі свого поширення перекриті водотривкими шарами. Тому поповнення напірних (артезіанських), вод може здійснюватись на чітко відокремлених ділянках там, де водопроникні шари виходять на денну поверхню. При цьому область живлення напірних вод повинна характеризуватись максимальними позначками порівняно з позначками інших частин поширення водоносних горизонтів.
На рис. 10 найповніше представлена схема зародження і поширення горизонту напірних вод. При розгляді цієї схеми можна побачити, що на ній виділено п'ять зон (або областей), які істотно відрізняються одна від одної:
- зародження водоносного горизонту,
- живлення,
- дренування,
- розвитку напірних вод і
- область стоку.
Рис. 10. Схема утворення, поширення і розвантаження підземних вод
А — водоносний горизонт;
Б — водотривкі породи (стрілками показано напрямки руху підземних вод)
Розглянемо деякі характеристики кожної з них.
В областях зародження і живлення водоносного горизонту стратиграфічний горизонт, складений з водопроникних порід, виходить на денну поверхню або ділянку, прикриту малопотужним шаром водопроникних порід. Отже, в цій області порівняно легко проникають атмосферні опади до водоносного горизонту. Відсутність водотривкого перекриття викликає утворення в межах зазначених областей ненапірних ґрунтових вод.
Річкова і яружно-балкова мережа врізується в горизонт ґрунтових вод і тією чи іншою мірою дренує його. Для обох областей характерні інтенсивні обмінні процеси між горизонтами ненапірних вод і атмосферними водами. Тому підземні води областей зародження і живлення водоносного горизонту характеризуються незначною мінералізацією. Відсутність водотривкого перекриття іноді приводить до того, що горизонти ґрунтових вод забруднюються.
Область зародження водоносного горизонту представлена глибокими ерозійними долинами, які повністю перерізують водовмісні породи, відокремлені від ділянок поширення водоносного горизонту. Атмосферна вода, яка інфільтрується до горизонту ґрунтових вод в області зародження водоносного горизонту, повністю дренується річковими і яружно-балковими долинами.
В межах області живлення водоносного горизонту ерозійна мережа частково прорізує водоносний горизонт, але не досягає водотривких порід, які залягають у підошві водоносного горизонту. Таким чином, ґрунтова вода, яка утворилася в області живлення за рахунок інфільтрації атмосферних опадів, частково дренується найближчими долинами, а частково проникає в зону дренування і потім — в область живлення напірних вод.
В межах зони дренування водоносний горизонт прикритий досить потужним шаром практично водонепроникних порід, які виключають можливість інфільтрації атмосферних опадів з поверхні до водоносного горизонту. Характерною особливістю зазначеної зони є те, що найглибші річкові долини розкривають і тією чи іншою мірою дренують водоносний горизонт, внаслідок чого поблизу річкових долин водоносний горизонт виявляється ненапірним, слабкі напірні властивості у водоносному горизонті виявляються тільки на вододілах, де менше позначається вплив ерозійних долин.
Область розвитку напірних вод розташована за зоною дренування і є найбільшою областю артезіанських басейнів. Водовмісний шар у межах цієї зони ізольований від поверхневих вод і в усіх випадках має в крівлі надійне водотривке перекриття.
В басейнах з ускладненим водообміном підземні води в області розвитку напірних вод можуть мати підвищену мінералізацію, а іноді при відсутності області стоку — мінералізовані до розсолу.
Область стоку — природна область розвантаження напірного водоносного горизонту. Для неї характерні мінімальні позначки поверхні. Тут водоносний горизонт повинен виходити на денну поверхню, хоч іноді і не має безпосереднього виходу, а виклинюється, наприклад, в товщу річкового алювію. В цьому випадку води переливаються в грунтові води річкового алювію. В області стоку утворюються численні джерела підземних вод, які виходять під напором.
Наведена схема — найхарактерніший випадок формування, поширення і розвантаження напірних вод. Подекуди горизонт напірних вод не має області зародження, а зони дренування і область живлення об'єднуються.