Водоносные горизонты: глубина залегания воды и характеристики

Для удовлетворения домашних потребностей в воде владельцы частных домов часто оборудуют на участках колодцы или водяные скважины.

Промышленные предприятия, как находящиеся в стадии строительства, так и уже функционирующие, также используют водяные скважины для производственных нужд.
Водоносный горизонт – это почвенный слой, который состоит из пород с пористой структурой, способной накапливать и транспортировать воду.

Эти слои формируются благодаря воде, которая просачивается из осадков либо перетекает из близлежащих прудов или рек, а также за счет вод, поднимающихся из источников под землей. Почва выступает в роли естественного фильтра, очищая жидкость по мере прохождения.

Слои до 30 метров часто сливаются с водой на поверхности и чередуются с песчаными пластами, что вносит особенности в структуру. Слои, состоящие из супеси, песка и гравийных смесей, фильтруют проходящую через них воду.

Источник наполнения этих водоносных структур – вода, просачивающаяся извне. Однако постоянное поддержание высокого уровня воды в этих слоях встречается нечасто из-за проницаемости и взаимодействия с другими водными слоями.

Проходят в структуре геологических пород, где пористые слои (известняк и крупнозернистый песок) зажаты между двумя непроницаемыми слоями. Это создает условия для насыщения жидкостью в закрытых структурах.

Глубина варьируется: 40-140 метров, но точные значения отличаются от конкретного местоположения.

Риск загрязнения этих горизонтов минимален, если не нарушаются технологии при создании скважины.

Производительности водоносного горизонта хватает, чтобы закрыть не только частные потребности в воде, но и водоснабжение для промышленных объектов, требующих больших объемов воды.

Глубина –15-100 метров, сверху и снизу водонепроницаемые слои. Вода насыщается большим количеством минералов и солей по мере ее движения сквозь породы. Следовательно, такую воду подвергают анализу и фильтруют.

Для получения точной информации о геологических особенностях участка необходимо обратиться к профессиональным геологическим службам. Эти организации начнут с анализа архивной информации и генерального плана местности, чтобы понять особенности территории.

После предварительного исследования следуют полевые работы, которые включают бурение с использованием специальной техники и инструментов для изучения грунта. Пробы грунта с нескольких точек участка затем отправляются в лабораторию для комплексного анализа. На основе результатов лабораторных исследований формируется заключение о подземных водах, оценка уровня воды во время возможных паводков.

Изучение мест для источника часто ограничивается границами и расположением относительно зданий и других объектов. Задача нахождение места, которое было бы и близко к дому, и удалено от возможных источников загрязнения.

На каждом участке вода доступна, однако глубина горизонта может сильно варьироваться. Для определения места пользуются бурением с помощью садового бура. Так можно достичь слоя, где песок становится влажным, что будет явным указанием на близость воды.

Для обнаружения воды применяются современные технологии, однако классические методы используются не реже.

Применение рамок
Способ основан на специальных рамках, сделанных из проволоки/металлических стержней, которые помещают в рукоятки, изготовленные из веточек бузины. Их длина – 25-40 сантиметров; рукоятки заменяют ветками калины/вербы в случае недоступности металла. Также используется маятник – небольшое металлическое грузило, подвешиваемое на толстую нить длиной 20-30 см.

Чтобы найти воду, «лозопроходец» берет рамку в каждую руку и медленно передвигается по участку, смотря на направление движения рамок. Места, где рамки сходятся, указывают на наличие водоносных пород. Чтобы понять, на какой глубине залежи воды, используют маятник и линейку.

Метод с использованием лозы
Эта техника аналогична методу с рамками, но для нее нужны две ветки, напоминающие формой рогатины, с углом между ответвлениями 145-155 градусов. Ветки должны быть тщательно просушены. В процессе обхода территории, если человек проходит над водоносными слоями, ветки начинают двигаться.

При создании личных источников водоснабжения официальные документы не всегда предоставляют необходимую информацию. В таких ситуациях основное внимание уделяется ежедневному объему поступления воды, ее качественным характеристикам. Также важна глубина залегания водоносных слоев, что влияет на трудозатраты и стоимость обустройства независимого водозабора.

Специализированные компании, предоставляющие услуги по установке, ориентируются на эти параметры. Это помогает формировать предварительные проекты работ и предоставлять клиентам точные технические условия.

Общепринятая классификация делит их по глубине расположения и влияние внешних и внутренних факторов на приток, состояние воды.

Информация на таких картах основана на информации, полученной в результате работ. На картах указывается глубина водоносных горизонтов, мощность и ожидаемая водоотдача, но эти параметры бывают неточными.

Карты предоставляют обзорную информацию, показывая:

• горизонт грунтовых вод;
• межпластовые водонасыщенные структуры или безнапорные водяные горизонты;
• напорные водоносные горизонты - «водяные линзы».

Водные жилы первого типа пролегают на большой глубине: они ограничены породами, которые не пропускают воду, создавая давление, выталкивающее воду вверх при пробуривании. Такие водоносные слои могут быть найдены в зонах земных разломов, образуя водные бассейны или даже достигая поверхности, позволяя воде бить фонтаном из скважин.

Преимущества напорных слоев включают в себя:

• Чистоту воды из-за изоляции от поверхностных загрязнений;
• Минимизацию энергетических затрат на добычу;
• Простоту в использовании

Однако среди недостатков выделяется:

• Высокая стоимость бурения;
• Иногда чрезмерная производительность

Грунтовые или межпластовые воды без напора в разрыхленных породах не создают серьезного давления. Небольшой напор может быть заметен только в специфических условиях, когда вода собирается в природных "водяных линзах" и вытекает через трещины в скалах. Такие слои встречаются в местностях с активной речной сетью.
Главное преимущество безнапорных вод – это мелкое залегание, делающее доступными воды для использования в хозяйственных нуждах.

 поверхностных горизонтах, имеющих фильтрационные потоки, жесткий режим предполагает пренебрежение небольшими колебаниями водопроницаемости горных пород и плотности воды. На глубине происходят изменения плотности воды и пористости породы. Также в некоторых почвах наблюдается явление инфильтрации, когда поры частично заполняются воздухом или паром при перемещении воды, что типично для поверхностных зон.

Подземные воды двигаются различными способами:

1. Установившееся движение, где скорость и напор воды стабилизируются со временем. Иногда поток так мал, что его игнорируют при планировании строительства.
2. Неустановившееся движение, при котором параметры потока могут изменяться в зависимости от времени и местоположения.
3. Напорное движение, характеризующееся постоянным внутренним давлением, которое и вызывает движение воды.
4. Безнапорное движение, при котором поверхность воды свободна и давление в ней равно атмосферному.

В 1856 году Анри Дарси, инженер-гидравлик, сформулировал принцип, который описывает связь между скоростью фильтрации подземных вод V и градиентом гидравлического давления, вызывающим это движение. Закон Дарси указывает на то, что скорость перемещения воды через пористую среду прямо пропорциональна приложенному давлению и обратно пропорциональна сопротивлению, которое встречает вода.

Формула Q = KфF (ΔH/L) определяет объемный поток воды через фильтрующий материал. Здесь Q означает объем воды, проходящий через фильтр, имеющий длину L и площадь сечения F. Разность напоров ΔH указывает на различие в давлении по обе стороны фильтра, а ΔH/L представляет собой гидравлический уклон, который выражает интенсивность изменения давления на единицу длины. Коэффициент Kф — это показатель фильтрации, который выражает скорость потока жидкости при условии, что гидравлический уклон равен одному. (Источник: https://geo.bsu.by/images/pres/oz/hgeol/hgeol05.pdf)

В некоторых случаях закон Дарси не срабатывает из-за особенностей геологических условий.

Он ограничен двумя критическими точками:

1. Верхний предел: Закон применим для очень проницаемых пород до тех пор, пока не достигнута критическая скорость фильтрации.
2. Нижний предел: Закон теряет силу при медленной фильтрации воды через глинистые или крупнообломочные породы.

Кроме того, в породах с трещинами, карстами или крупными обломками вода может двигаться быстро, и поток становится турбулентным, что также выходит за рамки применения закона Дарси.

Проницаемость определяет, насколько хорошо вода может течь через породу или осадок благодаря связям между порами. Хороший водоносный горизонт сочетает достаточную пористость (способность хранить воду) и проницаемость (способность переносить воду). Если осадок хорошо отсортирован, то есть частицы имеют почти одинаковый размер, он будет более пористым, так как мелкие частицы не забивают промежутки между крупными.

Например, глины могут быть пористыми, но из-за плохой связи между порами их проницаемость низкая. Гидравлическая проводимость отражает как проницаемость, так и свойства самой жидкости; высокие значения означают, что вода быстро проходит через горизонт. Неконсолидированные гравии, сильно трещиноватые породы и хорошо отсортированные песчаники обладают высокой гидравлической проводимостью.

Проседание — опускание земной поверхности. Это явление вызвано активным извлечением подземных вод. Без поддержки воды, которая раньше заполняла пространства между породами, земля начинает садиться: это приводит к повреждению зданий, дорог и изменениям в ландшафте.

Проседание часто наблюдается в густонаселённых или аграрных зонах с высоким потреблением воды. Чтобы предотвратить или минимизировать ущерб,надо контролировать пользование водой и следить за состоянием подземных горизонтов.

Побережья –это особые водоносные горизонты, где сверху лежит пресная вода, а под ней — более плотная соленая, проникающая из моря. В песчаных горизонтах близ побережья каждые 0,3 метра пресноводного напора создают 12 метров пресной воды над соленой, что описывается уравнением Гибена-Герцберга. Чрезмерный отбор подземных вод у берега приводит к тому, что пресная вода смешивается с морской. Например, водоносные горизонты у Майами и в Нью-Джерси уже сталкиваются с этой проблемой из-за активной перекачки и поднятия уровня моря.

В полузасушливых регионах, где для орошения повторно используют воду, водоносные горизонты рискуют засолиться. Вода для ирригации содержит около 0,5 граммов соли на литр, и так как на гектар требуется около 10,000 кубических метров воды ежегодно, в почву попадает более 5000 килограммов соли. С течением времени соль накапливается из-за испарения, что может вызывать экологические проблемы.

Для борьбы с повышением солености регулярно нужно удалять дренажную воду из горизонта через специальные системы. Это могут быть горизонтальные дренажи с трубами или канавами, или вертикальные — с использованием колодцев. Полезно применять модели подземных вод, включающие агрогидросолевой анализ.

Исследование 2021 года выявило, что из 39 миллионов анализируемых подземных вод 6-20 % находятся под серьёзной угрозой исчезновения. Это произойдет, если уровень воды упадет на несколько метров.

Системы БАРЬЕР для очистки воды для загородных домов:

Для определения местоположения подземных вод внимание уделяется природным индикаторам:

Туманы и роса: Надземная часть участка с водоносными горизонтами бывает влажной: утренний туман и обильная роса на траве — хорошие признаки для выбора места бурения. Живая зеленая трава, растущая гуще и выше, указывает на наличие воды под землей.
Поведение животных: Направляясь к воде, животные начинают прокладывать путь к скрытым источникам. Если тропа животных ведет к роднику или ключу, то этот район подходит для бурения. Над ними также часто собираются насекомые, которых тянет во влажную среду. Собаки в жару роют норы, достигая прохладной влажной земли.

Растения: Определенные растения могут указывать на близкое залегание подземных вод. Кедры, ивы и тростник часто растут там, где вода близко к поверхности. Об этом расскажем ниже.

Обратите внимание на группы растений, а не только на отдельные деревья, чтобы точнее определить местонахождение водоносных горизонтов.

Чтобы узнать глубину с помощью барометра-анероида, выполните следующие шаги:

1. Измерьте давление на берегу ближайшего водоема.
2. Переместитесь к месту будущего колодца или скважины и снова измерьте давление.
3. Разницу между двумя показаниями умножьте на десять. Результат покажет глубину залегания воды в метрах.

Пример: если давление уменьшилось на 0,8 мм рт. ст., значит, водоносный слой находится на глубине 8 метров. Погрешность – метр.

Наши предки научились определять, как близко находятся грунтовые воды, без глубоких буров и карт. Они внимательно наблюдали за природой.

Туманы утром или вечером — явный признак воды под землей. Чем гуще туман, тем ближе вода. Растения тоже подсказывают: брусника, крапива, ежевика и многие другие растут там, где влажно. Среди деревьев березы и ивы — верные показатели водных залежей.
Животные также реагируют на влагу: собаки в жару ищут прохладу, выкапывая ямы во влажной земле, муравьи же избегают мест с высоким уровнем воды, предпочитая сухие места.

Поиск воды с веткой или металлической рамкой остается популярным, хотя многие считают его мифом.

Купив садовый участок, посмотрите сначала на растения, растущие на территории.

• Рогоз указывает на близость воды — до одного метра под землей.
• Камыш, незабудки, лютики и хвощи растут, где вода от одного до трех метров в глубину.
• Солодка лекарственная растет над водой на полутораметровой глубине.
• Горькая полынь вырастает там, где вода начинается с трех до пяти метров.
• Осока предпочитает места с водой на глубине от 10 до 50 метров.
• Таволга и канареечник — показатели воды на глубине 50–100 метров.
• Мышиный горошек говорит о воде на уровне 100 метров.
• Овсяница луговая предпочитает сухой грунт, она встречается там, где вода начинается с глубины 150 метров.
• Клевер луговой и пырей — растения засушливых мест, растут там, где вода находится на глубине 200 метров.
• Цикорий, кошачья лапка и очитки — жители сухих мест указывают на глубину воды свыше 200 метров.

Эти растения — натуральные индикаторы уровня воды, которые помогут понять, на какой глубине искать воду на вашем участке.

Недорогой способ провести воду в сад или дом. Колодцы до 5 м глубиной подходят для хозяйственных нужд. Для питьевой воды колодцы углубляют до 10-15 м. Важно, чтобы дно колодца было на достаточной глубине, чтобы вода оставалась чистой. Семья из четырёх человек ежедневно нуждается примерно в 250 л воды. Часто устанавливают насос для упрощения доступа к воде.

Используют для того, чтобы провести в дом питьевую воду. 50-метровая скважина достает до песчаных слоев, которые играют роль естественного фильтра. Песочные скважины имеют десять лет срока, поскольку способны заилиться или иссякнуть. Скважины с артезианской водой не иссякают до 70 лет, давая обильный доступ к воде. Вода из глубоких слоев чистая, ее можно пить. Меньшие затраты на бурение делают скважины на песок популярным выбором.