Подземные и поверхностные источники водоснабжения: виды и особенности использования

Примечания

1. ↑ Zunker F. Das verhalten des Bodens zum Wasser. Handbuch der Bodenlehre. Bd. VI, 1930, Berlin
2. Качинский Н. А. Физика почвы. Часть II. Водно-физические свойства и режимы почв. Учебное пособие. — М.: Высшая школа, 1970, с. 26
3. Литвинова Т. А. Влияние удельной поверхности и ультрапористости мёрзлых грунтов на содержание в них незамёрзшей воды. М., 1961
4. Коссович П. С. Водные свойства почвы. — СПб.: Ж. «Опытная агрономия», кн. 3, 1904
5. ↑ Лебедев А. Ф. Почвенные и грунтовые воды. М.-Л.: Сельхозгиз, 1930
6. Вотяков И. Н. Связь между содержанием незамёрзшей воды в мёрзлых грунтах и гигроскопической влажностью грунтов. Известия СО АН СССР, Новосибирск, 1960, с. 17-25
7. Качинский Н. А. О влажности почвы и методах её изучения. М.-Л.: Сельхозгиз, 1930

Запреты на строительство

Встретить на площадке верховодку или грунтовые воды не очень радостное событие для застройщика.

Подземные воды могут наносить вред объекту при его строительстве и в последствии при эксплуатации. При таких обстоятельствах существуют ограничения на строительство.

При обнаружении высоких грунтовых вод, специалисты даже могут дать рекомендации по отказу от строительства объекта.

С верховодкой еще можно найти методы борьбы. Например, дно траншей и котлована выложить гидроизоляцией в несколько слоев, залить бетонные полы высокой маркой цемента.

Уж если и тогда будет подтапливаться подвал или цокольный этаж строения, то это будет происходить в сезон дождей и паводковых вод. В засушливое лето верховодка уходит вниз, через грунт или по водоупорному слою, залегающему под углом.

На песчаном грунте проблем с верховодкой нет. В таких местах воды существенного влияния на постройки не оказывают, а вот на сельскохозяйственные работы очень даже.

Проблемы возникают при строительстве зданий в низине, на берегу реки. Для ликвидации верховодки принимают необходимые меры по проведению осушительных мероприятий. Система отвода вод поможет справиться с этим явлением.

Именно грунтовые воды создают препятствия строителям. Особенно при наличии в составе почвы глинистых сланцев и тонкозернистых песков, которые под воздействием воды реформируются в плывуны.

Чем выше расположение УГВ, тем меньше сопротивление грунта. Уровень грунтовых вод считается высоким, если водоносный слой встречен на глубине до 2 м.

По строительным стандартам необходимо выполнение требования в плане расположения УГВ. Он должен находиться ниже, чем уровень промерзания грунтов. В соответствие с СНиП, нижний уровень основания здания и грунтовые воды должны быть расположены на расстоянии порядка 0,5 м.

Высокие грунтовые воды размывают бетонные конструкции и строительные сооружения.

Отведение грунтовых вод — дорогостоящее и кропотливое мероприятие, поскольку они постоянные, агрессивные, имеют большой объем.

Здесь уже необходима целая система водоотлива. От уровня грунтовых вод зависят затраты по строительству, расходам на обслуживание и эксплуатацию строения.

Проектирование фундаментов строений без геологического отчета не допускается. Поэтому, чтобы подземные воды не стали неожиданностью, необходимо выполнить изыскательские работы.  Для этого заключают договор с геологоразведочной фирмой.

Заканчиваются они составлением отчета, который будет содержать информацию:

• о присутствии и типах водоносных слоев;
• о качестве и содержании воды;
• об уровне притока;
• о структуре грунтов.

Не предусмотрено проведение изыскательских работ в летний или зимний период. Исследования выполняют весной и осенью, в этот период УГР достигает максимальной отметки.

Виды подземных вод в зоне вечной мерзлоты

Данные подземные воды классифицируют на надмерзлотные, межмерзлотные и подмерзлотные. Первые располагаются в толще многолетней мерзлоты на водоупоре в основном в подножии склонов или на дне речных долин. Они, в свою очередь, делятся на сезонно промерзающие, верховодку, расположенную в деятельном слое; на сезонно частично промерзающие, с верхней частью в активном слое, на сезонно непромерзающие, залегание которых отмечается ниже сезонно промерзающего слоя. В некоторых случаях может происходить разрыв деятельного слоя различных грунтов, что приводит к выходу некоторой части надмерзлотных вод на поверхность, где приобретает вид наледи.

Межмерзлотные воды могут присутствовать в жидкой фазе, но наибольшее распространение получили в твердой фазе; как правило, не подвержены сезонным процессам оттаивания/промерзания. Данные воды в жидкой фазе обеспечивают водообмен с над- и подмерзлотными водами. Могут выходить на поверхность как родники. Подмерзлотные воды являются артезианскими. Они могут быть от пресных до рассолов.

Виды подземных вод России те же, что были рассмотрены выше.

Регулирование водного режима

Каждой почвенно-климатической зоне присущи те или иные типы водного режима почв, которые в зависимости от особенностей возделываемых культур требуют соответствующих мероприятий по его регулированию.

В таежно-лесной почвенно-климатической зоне и в других зонах, где наблюдается избыточное увлажнение почв, используют различные агротехнические приемы, направленные на отвод избыточной влаги из верхних горизонтов почвы:

• грядкование и гребневание,
• нивелировку микро- и мезопонижений.

При необходимости проводят осушение открытыми канавами, закрытым дренажем, обвалованием, кольматажем и другие мелиоративные приемы.

Избыточное увлажнение можно устранить созданием мощного, хорошо окультуренного пахотного слоя и рыхлением подпахотного горизонта, что обеспечивает повышение влагоемкости почвы и просачивание влаги в нижние слои. Эта влага в засушливые критические периоды вегетации служит дополнительным резервом для выращиваемых растений.

В таежно-лесной зоне иногда бывают засушливые годы, когда сельскохозяйственные культуры из-за недостатка продуктивной влаги резко снижают урожаи. Например, в Московской области из 100 лет 29 бывают засушливыми, 23 — избыточно влажными, 48 — нормальными. Поэтому даже в этой зоне в отдельные годы целесообразно накопление и сбережение влаги атмосферных осадков.

В зонах лесостепи и степи с неустойчивым и недостаточным увлажнением почв основные задачи по регулированию водного режима сводятся к накоплению, сохранению и продуктивному использованию влаги выпадающих осадков для поддержания необходимой обеспеченности возделываемых культур. В этих зонах большое значение приобретают мероприятия, направленные на ослабление поверхностного стока воды, снегозадержание, уменьшение физического испарения воды из почвы.

Важная роль принадлежит:

• системе обработки почвы чистым паром,
• борьбе с сорняками,
• лесополосам.

Так, зяблевая обработка почвы, обеспечивая рыхлое строение пахотного слоя, способствует лучшему поглощению дождевых и талых вод, уменьшает поверхностный сток и снижает потери влаги на физическое испарение. Это улучшает влагообеспеченность сельскохозяйственных культур и повышает их урожай.

В засушливых районах Заволжья, Западной Сибири эффективны кулисные пары, способствующие увеличению запасов продуктивной влаги в метровом слое до 50 мм и более (Шульгин). Непроизводительные потери влаги на физическое испарение существенно уменьшаются при проведении весеннего боронования полей, а также при рыхлении поверхностных горизонтов почвы после дождей, предупреждающих образование корки.

Послепосевное прикатывание почвы изменяет плотность поверхностного слоя пахотного горизонта по сравнению с остальной его массой. Разность плотностей почвы обусловливает капиллярный подток влаги из нижележащего слоя и помогает возникновению конденсации водяных паров воздуха.

В овощеводстве для сохранения влаги широко применяют мульчирование почвы различными материалами.

В пустынно-степной и пустынных зонах основной способ регулирования водного режима — орошение.

Оптимизация водно-физических свойств почв, их структурного состояния способствует улучшению влагообеспеченности растений в различных почвенно-климатических зонах.

География

§ 41. Подземные воды

Вспомните

Что происходит с водой, выпавшей на землю с дождем? Через какие горные породы вода просачивается быстрее — пески или глины? Что такое родники (ключи)? Почему в роднике вода холодная даже летом?

Как образуются подземные воды. Вода в земной коре находится в трех состояниях: жидком, газообразном и твердом. Вода и водяной пар заполняют промежутки между частицами горных пород.

Вода в твердом состоянии — это кристаллики и прослойки льда в промерзших породах.

Подземные воды — это воды, находящиеся в горных породах земной коры.

Подземных вод намного больше, чем поверхностных вод суши — рек, озер, болот. Они возникают за счет просачивания в глубь земли атмосферных осадков. Важнейшее условие образования подземных вод — способность горных пород пропускать воду. Различают водопроницаемые и водонепроницаемые (водоупорные) породы (рис. 142).

Рис. 142. Водопроницаемость горных пород

Горные породы, которые пропускают воду, называются водопроницаемыми. Это рыхлые пористые (песок, галька, гравий) или твердые, но трещиноватые породы (известняк, песчаник, сланец). Чем крупнее частицы и поры, тем лучше водопроницаемость. Горные породы, не пропускающие воду, — водонепроницаемые, или водоупорные. Это глины или любые нерастрескавшиеся твердые породы.

Вода с поверхности просачивается через водопроницаемые породы до тех пор, пока не встречает на своем пути водоупорные слои. Здесь она задерживается, постепенно заполняя поры или трещины водопроницаемых пород. Пласты, насыщенные водой, образуют водоносные слои (рис. 143). Вода в них течет вниз по наклоненной поверхности водоупорного слоя.

Какими бывают подземные воды. Из-за чередования пород с разной водопроницаемостью в земной коре на разной глубине может быть несколько водоносных слоев. Рыхлые и пористые породы сменяются водоупорными, затем снова водопроницаемыми и вновь водоупорными. В зависимости от положения водоносных слоев различают грунтовые и межпластовые подземные воды (см. рис. 143).

Рис. 143. Подземные воды

Воды верхнего водоносного горизонта, расположенного на первом водоупорном слое, называются грунтовыми. Межпластовые воды располагаются между двумя водоупорными слоями. Сюда вода с поверхности попадает только через те места, где водоносные слои выходят на поверхность.

Глубина и толщина слоя грунтовых вод зависят от геологического строения территории, рельефа и климата. На равнинах с холодным и влажным климатом грунтовые воды могут подходить к самой поверхности, способствуя образованию болот. Если климат жаркий и сухой, грунтовые воды располагаются на большой глубине. Глубина слоя грунтовых вод может меняться по сезонам года. В России весной грунтовые воды располагаются ближе к поверхности, а летом — дальше от нее.

В пористых породах недр величайшей пустыни мира Сахары имеются огромные запасы подземных пресных вод. Их так много, что они могут обеспечить потребности всех стран, расположенных на территории пустыни. Однако эти воды залегают на глубине 150—200 м от поверхности.

Грунтовые воды часто выходят на поверхность, образуя источники (родники, ключи) в понижениях рельефа: речных долинах, оврагах. Межпластовые воды добывают с помощью специально пробуренных скважин. Иногда вода бьет через скважину фонтаном. Такие воды называют артезианскими (рис. 144).

Рис. 144. Артезианские воды

Артезианские воды образуются в вогнутых слоях горных пород. Вода оказывается здесь под большим давлением, поэтому она фонтанирует при вскрытии скважины.

Не все подземные воды пресные. Некоторые из них содержат много растворенных веществ и газов. Такие воды называют минеральными. На больших глубинах в толще земной коры возрастает температура. Поэтому здесь подземные воды становятся теплыми и даже горячими.

Если толщи земной коры сложены легко растворимыми породами (известняками, гипсом, солями), то подземные воды вымывают в них многочисленные пустоты, полости, пещеры (рис. 145). Такое явление природы, а также формы рельефа на поверхности и в толщах горных пород называются карстом.

Рис. 145. Формы карста

Вода не просто создает карстовые пещеры. Она украшает их живописными каменными «скульптурами». Из капель, просачивающихся с потолка пещер, как сосульки, нарастают вниз сталактиты. Из капель, падающих на пол пещеры, снизу постепенно растут столбики — сталагмиты. Эти формы иногда срастаются друг с другом в единые колонны.

Вопросы и задания

1. Откуда вода попадает в толщу земной коры?
2. Назовите виды подземных вод.
3. Что такое источник? Где он образуется?
4. Где образуются карстовые пещеры?

Направления гидрогеологии

Гидрогеология как наука включает в себя значительный пласт знаний о подземных водах. Она изучает динамику подземных вод, их химический состав, сведения о производительности водоносных горизонтов и их качестве, что позволяет планировать работы по питьевому или с/х водоснабжению.

Для удобства была создана классификация, которая включает в себя такие направления:

• Регионально – изучение по различным геоструктурам, поиск новых подземных бассейнов;
• Генетическое – направление, касающееся термальных и соленых вод, залегающих в горизонтах разной глубины;
• Гидродинамическое – изучение направлений движения воды, поиск закономерностей этого движения, выполнение соответствующих расчетов, создание математических моделей;
• Гидрогеохимическое – объектами изучения этого направления являются состав воды и условия ее образования;
• Палеогидрогеологическое – исторические основы становления и развития науки;
• Экологическое — охраной подземных вод.

Как человек использует?

Подземные воды широко используют в хозяйственной деятельности человека. Требования к качеству, объему предварительной обработки зависят от сферы их применения.

В пищевой промышленности

По данным Европейской экономической комиссии подземные воды – основной источник хозяйственно-питьевого водоснабжения в большинстве европейских стран.

Их доля в общем непромышленном потреблении составляет 48% от их общего объема, использующегося для хозяйственной деятельности человека.

В пищевой промышленности разрешается использовать некондиционные, загрязненные воды. Но только после предварительной очистки, дезинфекции и, при необходимости, дистилляции.

В пищевой промышленности они применяется следующим образом:

• в качестве сырья – для производства столовых, очищенных питьевых вод, при приготовлении газировок, восстановлении соков;
• ликероводочная промышленность – и как источник сырья, и как моющее средство;
• для дезинфекции и очистки оборудования, зданий, сооружений;
• в качестве теплоносителя в системах отопления и хладагента.

Для питья

Человеку при соблюдении правил здорового питания требуется от 1,5 до 3 л воды в день. Это зависит от возраста, веса и его вида деятельности.

Преимуществом подземных вод в этом случае является экологичность. Они меньше подвергаются воздействию антропогенной деятельности человека, чем поверхностные источники.

Например, подземные источники в Мюнхене покрывают 100% потребности города в питьевой воде. В прочих мегаполисах этот показатель варьируется от 11 до 48%.

В сельском хозяйстве

Подземные воды широко применяются для орошения в странах с пустынным и полупустынным климатом, в зонах рискованного земледелия.

Например, в США – до 45%, а в Ливии – 100% сельскохозяйственных угодий обрабатывается с применением ресурсов из подземных горизонтов. В ряде стран разработано строгое водоохранное законодательство.

В первую очередь высококачественные ресурсы применяются для питья, нужд пищевой промышленности. Для орошения – только после удовлетворения потребностей защищенных отраслей народного хозяйства.

Кроме этого, учитывается объем поверхностных источников и возможность их использования для орошения сельскохозяйственных угодий.

В штате Калифорния 85% воды, получаемой из подземных горизонтов, уходит на полив угодий.

В медицине

В медицине подземные воды применяются как для обслуживания лечебных учреждений, так и для терапии различных заболеваний.

Сферы использования:

• обеспечение хозяйственной деятельности стационара, поликлиники;
• приготовление пищи и питьевые нужды;
• дезинфекция;
• изготовление лекарственных препаратов;
• получение дистиллята для обработки инструмента;
• лечебные минеральные и термальные – при санаторно-курортном лечении, для профилактики рецидивов хронических заболеваний.

В промышленности

В промышленности подземные воды используют в качестве сырья для получения полезных ископаемых и для обслуживания производства.

В первом случае количество добываемых микроэлементов должно быть экономически выгодно.

В Варне из рассолов получают хлористый кальций, углекислый и едкий натр. В Германии – рубидий и цезий, в Италии – йод.

Термальные источники, гейзеры – применяют в качестве альтернативного и возобновляемого источника энергии для отопления, производственных нужд.

Использование в деятельности человека

Применение широко. Используется в качестве питья, но из-за высокой минерализации требуется фильтрация.

Некоторые источники изначально содержат небольшое количество солей и уже после добычи пригодны для применения в качестве питья.

Также используется в хозяйственных целях. Часто добывается в коттеджных поселках. Подземные источники позволяют обеспечивать их питьем в течение нескольких десятков лет.

Артезианская вода используется в деятельности промышленных предприятий. Некоторым из них требуется вода определенного состава и качества. Для их деятельности подходит только из артезианских скважин. Для других предприятий использование подземных скважин является необходимостью, поскольку они находятся вдали от городских систем водоснабжения.

Подземные воды также используются для обеспечения питьем некоторых небольших населенных пунктов, которые располагаются далеко от городских водоснабжающих магистралей.

Поверхностные воды

Различают следующие категории поверхностных вод:

• болота;
• моря;
• озера;
• реки;
• иные водоемы и водостоки.

Расположенные на суше поверхностные воды характеризуются течением. Они временно либо постоянно находятся в поверхностных водных объектах.

Природный водный поток называется рекой. Текут реки в выработанном ими углублении (естественном русле). Питаются реки за счет подземного или поверхностного стока. Крупные реки с разветвленными притоками образует речную систему. Та часть поверхности суши, с которой река собирает воды, называется водосборной площадью, а водосборная площадь вместе с верхними слоями почвы – речным бассейном. Реки распространены по поверхности планеты неравномерно.

Моря являются частью Мирового океана. Характеризуются обособленным положением по отношению к океанам и замедленным водообменом, объясняющимся ограниченной связью с открытой частью. Интересный факт: в Библии морями называли любые водные пространства – океаны, моря, заливы, озера.

Болотами называют участки суши, характеризующиеся повышенным увлажнением. На этих территориях обычно почва обладает повышенной кислотностью и низкой плодородностью.

Озера также относятся к категории поверхностных вод. Озеро – водоем естественного происхождения. Это углубление в суше, в которое вода стекает и там скапливается. Частью Мирового океана озера не являются. К поверхностным водам также относятся более мелкие водоемы – лиманы, ручьи, водохранилища и прочие. Воды суш (так по-другому называют поверхностные воды) могут быть как пресными, так и солеными.

Подземные источники

К подземным источникам относятся воды, залегающие в водоносных слоях под землей. Это вода, выпадающая в виде атмосферных осадков на землю и просачивающаяся сквозь неё.

Проникая вглубь, она заполняет все пустоты в водоносных пластах до уровня глины, гранита или другой непроницаемой для воды породы.

Водоносные слои

Виды подземных источников и качество воды в них

В зависимости от уровня залегания они делятся на несколько категорий:

Верховодка или почвенная вода сплошного водоносного слоя не образует. Она скапливается в углублениях рельефа, образованных водонепроницаемыми грунтами, и в верхних слоях почвы. Глубина её залегания небольшая, летом в период долгой засухи верховодка может исчезать, поэтому колодцы для её добычи часто пересыхают. Используют такую воду только для полива и технических нужд, так как она содержит много механических примесей и опасных загрязнений, попадающих в неё из поверхностных стоков и самой почвы.

Верховодка скапливается в любых углублениях, в том числе и рукотворных, как на фото

Грунтовые воды образуют сплошной водоносный слой в песчаном грунте над первым водонепроницаемым пластом, состоящим, как правило, из глины. Просачиваясь сквозь песок, они фильтруются, избавляясь от большей части загрязнений, присутствующих в верховодке, и становятся пригодными для питьевого водоснабжения. Водозаборы, добывающие грунтовую воду, это колодцы и так называемые скважины «на песок». Уровень воды в них всегда совпадает с уровнем водоносного слоя и может подниматься и опускаться в зависимости от сезона и интенсивности осадков.

Схема залегания грунтовых вод

Артезианская вода залегает на глубине от 100 метров

К подземным источникам можно отнести и ключи, которые бывают нисходящими и восходящими. Первые выходят на поверхность земли на склонах гор и оврагов в местах обнажения водоносных слоев.

Нисходящие ключи

Вторые бьют из земли из напорных артезианских пластов.

Восходящий ключ

Водоснабжение из подземных источников

Для добычи подземных вод используют колодцы и скважины, оборудованные водоподъемными устройствами – ручными, механическими, автоматическими.

Колодцы и скважины на песок небольшой глубины используют для автономного водоснабжения частных домов. Их можно сооружать своими руками, для этого не нужны никакие разрешительные документы.

Автономные системы водоснабжения из таких источников отличаются от централизованных простой схемой доставки воды к потребителю, отсутствием разветвленных трубопроводных сетей и водоочистной станции. Хотя большинство частных домовладельцев все же устанавливают на питьевом водопроводе фильтры грубой и тонкой очистки.

Бытовая система водоподготовки

Артезианские воды относятся к ценным природным ресурсам, поэтому их добыча регламентируется. Для сооружения артезианской скважины необходимо разрешение природоохранных служб и соблюдение предписаний по организации и обслуживанию водоохраной зоны.

Кроме того, бурение таких скважин обходится дорого, поэтому их редко используют для водоснабжения одного дома. Чаще они обслуживают целые поселки или жилые кварталы.

Для бурения артезианских скважин требуется специальная техника

Требования к подземному источнику воды

Чтобы решить, какой из подземных источников будет питать водой загородный дом или другой объект, нужно понимать, что он должен отвечать определенным требованиям.

• Без перебоев обеспечивать нужный объем воды независимо от сезона и других факторов, влияющих на дебет источника.
• Обладать мощностью, достаточной для сохранения экологической системы местности независимо от объема потребляемой воды.
• Давать воду хорошего качества, соответствующего санитарно-эпидемиологическим нормам.
• Не требовать больших затрат на добычу, доставку и очистку воды.

Учитывая высокую стоимость сооружения и обустройства артезианских скважин, а также необходимость умягчения и обезжелезивания воды с использованием дорогого оборудования, чаще всего выбор делается в пользу грунтовых вод.

Вода должна быть хорошего качества, подаваться в нужном объеме и с нормальным напором

Инструкция требует обязательного их анализа на предмет соответствия санитарно-гигиеническим требованиям. Но даже при необходимости водоочистки итоговая стоимость колодца или песчаной скважины получается гораздо ниже.