Использование подземных вод

работа имеет рисунки и графики, очень красочная и качественно выполненная ...

Содержание


Введение ……………………………………………………………………3
1. Происхождение подземных вод ……………………………………….6
2. Классификация подземных вод. Условия их залегания …………….12
3. Питание рек подземными водами. Методики расчета подземного стока …………………………………………………………………………..16
4. Практическое значение подземных вод ……………………………..19
5. Основные проблемы использования и защиты подземных вод и их охрана …………………………………………………………………..22
Заключение ………………………………………………………………..29
Список литературы ……………………………………………………….30

Введение
Для начала хочется определиться с той наукой, которая занимается изучением подземных вод.
Гидрогеология (от гидро – вода и геология) наука о подземных водах, изучает их состав и свойства, происхождение, закономерности распространения и движения, взаимодействие с горными породами.
Гидрогеология весьма 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, которые находятся ниже поверхности Земли в горных породах в газообразном, жидком и твёрдом состояниях, называют подземными водами. Подземные воды являются частью гидросферы – водной оболочки земно го шара. Они встречаются в буровых скважинах на глубине до нескольких километров.
Если посмотреть данные В.И. Вернандского, то можно увидеть, что подземные воды могут быть на глубине 60 км. Это связанно с тем, что молекулы воды даже при температуре 2000 градусов диссоциированы всего на 2%. Примерные подсчёты запасов пресной воды в недрах Земли до глубины 16 километров равны - 400 миллионов кубических километров, или 1/3 вод Мирового океана.
Знания о подземных водах, собирались еще с древних времен, ускорился процесс сбора знаний с появлением городов, когда начали применять поливное земледелие. Из истории, можно увидеть, что сооружение копаных колодцев достигало десятки метров. Этот факт был известен за 2000-3000 тысячи лет до н.э. в Египте, Средней Азии, Индии, Китае. Так же в этот же период появилось и лечение при помощи минеральных вод. В период первого тысячелетия до нашей эры появились первые знания 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.). На изучение подземных вод повлияло расширение работ, которые связанны с водоснабжением, строительством каптажных сооружений (например, кяризов у народов Кавказа, Ср. Азии), добычей соленой воды для выпаривания соли при помощи вырывания колодцев, а после и бурения (территория России, 12-17 века). Появились такие понятия о водах, как не напорные, напорные (поднимающихся снизу вверх) и самоизливающиеся. Последние (самоизливающиеся) приоблили в 12 веке название артезианские - от провинции Артуа (древнее название "Артезия") во Франции.
В эпоху Возрождения и после нее, подземные воды и их роль в природных процессах нашли свое место в работах большого количества ученых - Агриколлы, Палисси, Стено и др.
В России впервые научные представления о подземной воде, как о природных растворах, их образовании путем инфильтрации атмосферных осадков и геологической деятельности подземных вод были отраженны М.В.Ломоносовым в сочинении «О слоях земных» (1763 г.).
До середины 19 века учение о подземных водах развивалось как составная часть геологии. После оно отделяется в отдельную науку.
Общая гидрогеология занимается изучением происхождения подземных вод, их физическое и химическое свойство, взаимодействие с вмещающими горными породами.
Изучение подземных вод в связи с историей тектонических движений, процессов осадконакопления и дианогенеза дало возможность подойти к истории их формирования и способствовало появлению в 20 веке новой отрасли гидрогеологии - палеогидрогеологии

Однако определение генезиса подземных вод имеет большое значение: оно облегчает подсчёт запасов, выяснение режима и их качество.Во время весеннего половодья и паводков уровень воды в реке, поднимаясь выше уровня речного потока, направленного к реке, вызывает отток воды из нее и подъем уровня грунтовых вод. Это снижает высоту уровня весенних половодий. На спаде грунтовые воды начинают питать реку, и уровень грунтовых вод понижается.Грунтовые воды могут образовываться за счет искусственных гидротехнических сооружений например таких, как оросительные каналы. Так, при строительстве Каракумской оросительной системы за счет переброса части стока сибирских рек, в пустынной части значительное количество воды уходило не столько на поливные нужды, сколько на испарение и в грунт. Произошло это вследствие того, что большая часть оросительной системы проходила по песчаным почвам, где коэффициент фильтрации достаточно высок, и несмотря на противофильтрационные меры, падения уровней воды за счет фильтрации воды в грунт были велики. Все это, помимо уменьшения стока рек, приводило к тому, что содержащиеся в грунте соли растворялись грунтовыми водами, и при движении подводных потоков обратно в канал происходило заиление и засоление последнего.2.Классификация подземных вод. Условия их залеганияПо условиям залегания выделяют три типа подземных вод: верховодку, грунтовые и напорные, артезианские.Верховодка - подземные воды, которые залегают возле поверхности земли и отличаются непостоянством распространения и дебита. Обычно верховодка приурочена к линзам водоупорных или слабо проницаемых горных пород, перекрываемых водопроницаемыми толщами. Верховодка занимает ограниченные территории, это явление – временное, и происходит оно в период достаточного увлажнения; в засушливое время гола верховодка исчезает. Верховодка приурочена к первому от поверхности земли водоупорному пласту. В тех случаях, когда водоупорный пласт залегает вблизи поверхности или выходит на поверхность, в дождливые сезоны развивается заболачивание.К верховодке нередко относят почвенные воды, или воды почвенного слоя. Почвенные воды представлены почти связанной водой. Капельно-жидкая вода в почвах присутствует только в период избыточного увлажнения.Более наглядно верховодку можно рассмотреть на рисунке 4. Рис. 4 Верховодка –тип подземных водГрунтовые воды - воды, которые залегают на первом водоупорном горизонте ниже верховодки. Обычно они приурочены к выдержанному водонепроницаемому пласту и характеризуются более или менее постоянным дебитом. Грунтовые воды накапливаются как в рыхлых пористых породах, так и в твёрдых трещиноватых коллекторах. Уровень грунтовых является неровной поверхностью, которая повторяет, неровности рельефа в сглаженной форме: на возвышенностях он ниже, в пониженных местах – выше. Грунтовые воды перемещаются в сторону понижения рельефа.Уровень грунтовых вод подвержен постоянным колебаниям. Как отмечалось выше, на него влияют различные факторы: количество и качество выпадающих осадков, климат, рельеф, наличие растительного покрова, хозяйственная деятельность человека и многое другое.Грунтовые воды, накапливающиеся в аллювиальных отложениях – один из источников водоснабжения. Они используются как питьевая вода, для полива. Выходы подземных вод на поверхность называются родниками, или ключами.Более наглядно нахождение грунтовых вод можно рассмотреть на Рисунке 5. Рис. 5 Нахождение грунтовых водЧто касается напорных, или артезианских вод, то рассмотрим следующее.Напорные воды - такие воды, находящиеся в водоносном слое, который заключен между водоупорными слоями, и испытывает гидростатическое давление, вызванное разным уровнем в месте питания и выхода воды на поверхность. Область питания у артезианских вод обычно лежит выше области стока воды и выше выхода напорных вод на поверхность Земли. Если в центре такой чаши, или мульды, заложить артезианскую скважину, то вода из нее будет вытекать в виде фонтана по закону сообщающихся сосудов.Наглядно посмотреть залегание артезианских вод можно на Рисунке 6 Рис. 6 Залегание артезианских водРазмеры артезианских бассейнов бывают весьма большими – до сотен и даже тысячи километров. Области питания таких бассейнов зачастую значительно удалены от мест извлечения воды. Так, воду, выпавшую в виде осадков на территории Германии и Польши, получают в артезианских скважинах, пробуренных в Москве; в некоторых оазисах Сахары получают воду, выпавшую в виде осадков над Европой.Артезианские воды характеризуются постоянством дебита и хорошим качеством, что немаловажно для её практического использования.3.Питание рек подземными водами. Методики расчета подземного стокаПодземные воды являются надежным источником питания рек. Они действуют круглый год и обеспечивают питание рек в зимнюю и летнюю межень (или при низких уровнях стояния горизонта воды), когда поверхностный сток отсутствует.При сильно замедленных скоростях движения грунтовых вод, по сравнению с поверхностными, подземные воды в речном стоке выступают как регулирующий фактор.Также, при сильно замедленных или небольших скоростях движения грунтовых вод, на реках Крайнего Севера при низких температурах воздуха, наблюдается перемерзание (полное или частичное) реки, и тогда вода заходит с подпорной части того водоема, в которую впадает река (это может быть главная река, море, озеро и т.п.). Такие явления наблюдаются, например, в п. Нижнеянск, который находится в 25 км от устья р. Яны, где в период стояния низких температур и полного перемерзания реки на перекатах, с подпора в русло реки выше по течению от места перемерзания, заходит соленая вода из Северного Ледовитого океана.Количественной мерой питания служит значение подземного стока, который, в свою очередь, характеризуется так называемым модулем подземного стока: М подз = К•М0/100,где Мподз – модуль подземного стока, л/сек с 1 км2 водосборной площади;М0 – средний многолетний модуль общего стока, л/сек с 1 км2 поверхностного водосборного бассейна;К – модульный коэффициент, показывающий процент подземного стока в общем стоке и определяемый по формуле К= М min / М0,где Мmin - минимальный модуль стока, л/сек с 1 км2 поверхностного водосборного бассейна, определяемый по зимнему расходу реки и равный модулю подземного стока, т.к. реки зимой питаются преимущественно подземными водами.Модуль подземного стока является надёжным показателем для оценки водоносности горных пород, распространённых на площади водосборного бассейна какой-либо реки, т.к. он представляет собой то количество подземной воды (в л/сек), поступающее в реку с 1 кв. км того или иного водоносного горизонта, дренируемого рекой.Кроме этих формул, величина подземного стока может быть определена гидрохимическим методом (по А.Т. Иванову): ,где Qподз – годовой объём подземного стока;Q0 – годовой объём речного стока;с - концентрация какого-либо компонента (например, хлора) в речной воде в период наблюдений;c1 – концентрация того же компонента в подземных водах в тот же период;c2 - концентрация того же компонента в поверхностных водах в тот же период.Согласно Б.И. Куделину, для более точного расчёта подземного стока малых и средних рек предлагается различать четыре типа питания рек подземными водами:Питание грунтовыми водами, гидравлически не связанными с рекой;Питание грунтовыми водами, гидравлически связанными с рекой;Смешанное грунтовое питание (a+b);Смешанное грунтовое и артезианское питание (a+b+c).Согласно этих данных Б.И. Куделиным были предложены формулы для определения слоя hподз и коэффициента подземного стока αподз. Слой подземного стока выражается в миллиметрах в год (или любой другой единице времени) с одного квадратного километра площади подземного бассейна и рассчитывается как: ,где hподз – слой подземного стока, мм/год;Qподз – объем подземного стока с площади бассейна, м3/год;F – площадь бассейна, м2.Коэффициент подземного стока αподз представляет собой отношение подземного стока к осадкам, выпавшим на площадь данного речного водосборного бассейна, и показывает ту часть осадков, которая идёт на питание подземных зон весьма интенсивного водообмена в бассейне: , где x – слой осадков, мм/год.Расчёты подземного стока обычно обобщаются в виде карт подземного питания, коэффициентов и модулей подземного стока, отражающих естественные ресурсы различных видов подземных вод, развитых в пределах малых и средних речных бассейнов и их отдельных районов и участков.4. Практическое значение подземных вод.Подземные воды имеют большое практическое значение. В настоящее время пресные подземные воды играют значительную роль в хозяйственно-питьевом водоснабжении населения многих стран. Для водоснабжения используются грунтовые или сравнительно неглубоко залегающие напорные воды, в которых при работе водозабора пьезометрический уровень может быть снижен до глубин 150 — 200 м, что определяется технико-экономическими возможностями водоподъемных насосов. При этом отмечается тенденция ко все большему использованию подземных вод для водоснабжения. Это объясняется тем общеизвестным фактом, что подземные воды, как источник водоснабжения, имеют ряд преимуществ по сравнению с поверхностными водами. Прежде всего, подземные воды, как правило, обладают лучшим качеством, более надежно защищены от загрязнения и заражения, меньше подвержены сезонным и многолетним колебаниям и в большинстве случаев их использование не требует дорогостоящих мероприятий по водоочистке.За последние 25—30 лет в мире было пробурено более 300 млн. скважин для отбора воды. Только в США ежегодно бурится около миллиона скважин, воды которых используются для хозяйственно-бытовых нужд, орошения, технического водоснабжения. Роль подземных вод в водоснабжении городов в различных странах и в различные периоды существенно изменялась. В целом на начальных этапах развития централизованного водоснабжения в качестве источника водоснабжения выступали, как правило, родниковые воды (где это было возможно). В дальнейшем по мере роста потребностей в воде все больше стали использовать поверхностные воды. Прогрессирующее их загрязнение во второй половине Х в. и возникшие в связи с этим серьезные заболевания населения вызвали необходимость реконструкции систем водоснабжения, которая проводилась двумя путями: улучшением качества водоочистки, либо полным или частичным переходом на подземные источники водоснабжения (в том числе и на воду достаточно далеко расположенных родников). В качестве примера можно привести систему водоснабжения такого крупного города, как Париж, где в 1865—1900 гг. использовали родники на склонах возвышенностей, расположенные на расстоянии 80—150 км от города, а поверхностные воды стали использовать для технического водоснабжения. Наглядным примером роста отбора подземных вод в нашей стране является московский регион. По данным Европейской экономической комиссии подземные воды являются основным источником городского хозяйственно-питьевого водоснабжения в большинстве европейских стран. Полностью или почти полностью на подземных водах основано водоснабжение таких крупных городов Европы (с на селением около миллиона человек и более), как Будапешт, Вена, Гамбург Копенгаген, Мюнхен, Рим, а для таких городов, как Амстердам, Брюссель, Лиссабон, подземные воды покрывают более половины общей потребности в воде.Подземные воды используются не только для питьевого водоснабжения, но и в промышленности, сельском хозяйстве, на транспорте — практически при всех видах человеческой деятельности. Нужно отметить, что в странах с аридным и полуаридным климатом подземные воды широко используются для орошения. За счет подземных вод орошается примерно 1/З всех земель. Из общей площади орошаемых земель в США за счет подземных вод орошается 45% земель, в Иране — 58%, в Алжире — 67%, а в Ливии орошаемое земледелие целиком основано на подземных водах. Здесь же отметим, что в России на орошение земель и обводнение пастбищ расходуется лишь около 0,4 км что составляет порядка 2% от общего отбора подземных вод. Но, так или иначе, для производственного водоснабжения применение пресных подземных вод допускается с разрешения органов по регулированию использования и охране вод только в районах, где отсутствуют необходимые поверхностные водные источники и имеются достаточные запасы подземных вод питьевого качества. Требования к качеству подземных вод для производственного водоснабжения устанавливаются водопотребляющими или проектными организациями для каждого конкретного случая с учетом специфических особенностей применения вод по данному назначению.К воде, применяемой в различных отраслях промышленности, предъявляются требования в соответствии со спецификой данного вида производства. Например, в сахарном производстве необходимо, чтобы вода имела минимальную минерализацию, так как присутствие любых солей затрудняет варку сахара. В пивоваренном производстве требуется отсутствие в воде CaSO4, препятствующего брожению солода. В воде, применяемой для винокуренного производства, нежелательно присутствие хлористого кальция и магния, которые задерживают развитие дрожжей. В текстильной и бумажной промышленности не допускается присутствие в воде железа, марганца и кремниевой кислоты. Производство искусственного волокна требует малой окисляемости воды (менее 2 мгО/л) и минимальной жесткости (до 0,64 мг-экв/л). Такие же требования по жесткости предъявляются к воде и в энергетической промышленности. К воде, используемой для хозяйственно-питьевого водоснабжения, предъявляемые требования можно свести к двум основным условиям: безвредности ее для организма и удовлетворительному качеству по вкусу, запаху, прозрачности и другим внешним свойствам.5.Основные проблемы использования и защиты подземных вод и их охрана В силу своего местонахождения подземные воды лучше защищены от внешних воздействий, чем поверхностные, но также имеются серьёзные симптомы неблагоприятного изменения режима подземных вод на больших площадях и в широком диапазоне глубин. К ним относятся: истощение и понижение уровня подземных вод (из-за чрезмерного отбора); внедрение на побережье морских солёных вод; образование депрессионных воронок и другие.Большую опасность представляет загрязнение подземных вод. Можно выделить два типа загрязнений :бактериальное химическое. В определённых условиях в водоносные горизонты могут проникать сточные и промышленные воды, загрязнённые поверхностные воды и атмосферные осадки.