Теоретичний матеріал до теми 3.

1. Утворення підземних вод

Підземними називають усі типи вод, які містяться в товщах гірських порід земної кори. Наука, яка вивчає підземні води, називається гідрогеологією.

Рис. Кругообіг води в природі:

I—атмосферні опади; II— випаровування; III— поверхневий стік; IV— підземний стік; V — просочування вод атмосферних опадів

Розрізняють малий і великий кругообіги. Суть першого полягає в тому, що частина води, яка випаровується з поверхні океанів і морів, надходить в атмосферу, конденсується і знову випадає в океан, завершуючи кругообіг.

 Великий кругообіг охоплює водообмін між океаном і суходолом.  Значну частину водяної пари з океану переносять повітряні течії на материки, де за сприятливих умов пара конденсується і випадає у вигляді атмосферних опадів.  Одна частина цих опадів у вигляді води стікає поверхнею і знову, безпосередньо або через річки, потрапляє в океан,  друга — просочується в гірські породи і поповнює підземні води, які формують підземний стік, а третя частина випаровується в атмосферу.

2. Класифікація підземних вод

За характером залягання: зони аерації, грунтові, міжпластові та артезіанські. Грунтовими водами називають підземні води першого від денної поверхні безнапірного постійного водоносного горизонту, який залягає на найближчому водоупорі. Поверхня ґрунтових вод називається рівнем підземних вод (РПВ).

Зона аерації - це верхня водопроникна частина земної оболонки, обмежена зверху денною поверхнею, а знизу - дзеркалом підземних вод, тобто зона покривних відкладів, що лежить між атмосферою і підземними водами.

Зона насичення - це частина земної кори, в якій водопроникні гірські породи заповнені водою, суцільною за гідравлічними ознаками.

Підземні води, які залягають між двома водотривкими пластами, називають міжпластовими. Міжпластові води, які заповнюють весь водоносний горизонт та мають напір, називають напірними або артезіанськими.

По гідравлічним умовам: напірні і безнапірні. Підземні води, які мають вільну поверхню, називають безнапірними.

3. Фізичні властивості підземних вод

За вагою вода складається з 11,11 % водню та 88, 89% кисню. Разом з простими молекулами вода містить і більш складні утворення, що відповідають формулі [Н₂0]. Фізичні властивості підземної води визначаються температурою, кольором, прозорістю, смаком, запахом, питомою вагою та в'язкістю.

Температура підземних вод може коливатися в значних границях (від - 5 до + 300° С), але найчастіше вона становить 7-11°С. За температурою підземні води поділяються на

 холодні (до 20° С),

теплі (20-37°),

гарячі (37- 42е),

термальні (вище 42°).

 Колір підземних вод залежить від наявних в них механічних та органічних ДОМІШОК. ЧИСТІ підземні води у більшості випадків не мають кольору, вони безколірні. Колір води визначають у градусах. Задовільною є вода колірністю не вище 20°.

Прозорість води залежить від кількості розчинених в ній мінеральних речовин, вмісту механічних домішок, колоїдів та органічних речовин.

Смак воді надають розчинені мінеральні речовини, гази та домішки. Його визначають після нагрівання її до 20-30° С.

Запах залежить від присутності газів біохімічного походження або гниючих органічних речовин. Як правило, підземні води не мають запаху.

Питома вага цих вод залежить від їхньої мінералізації. Про значення загальної мінералізації судять за сухим або щільним залишком, який утворюється, після випаровування води при 105-110° С. Розрізняють прісні води, які містять до 1 г/л сухого залишку, солонуваті - до 3 г/л, солоні - до 10 г/л, підвищенні солоності - до 35 г/л, перехідні до розсолів - до 50 г/л та розсоли - вище 50 г/л.

В'язкість характеризує внутрішній опір частинок рідини її рухові. Вони залежить від температури і кількості розчинених в ній солей.

4. Хімічний склад підземних вод

Хімічний склад питних вод визначається геологічною історією розвитку гідрогеологічних структур, мінеральним складом водовміщуючих порід, умовами циркуляції вод, кліматом і, нарешті, антропогенним впливом. Причому антропогенні та кліматичні фактори впливають найбільше на підземні води верхніх водоносних горизонтів (передусім на верховодку та ґрунтові води). Циркулюючи у колекторах різних типів, підземні води, розчиняючи мінерали та породи, збагачуються різними хімічними елементами і сполуками.

Підземні води – складні водні розчини. У їхньому складі виділяються: макро- та мікрокомпоненти, гази, органічні речовини, мікроорганізми. На сьогодні у підземних водах різними методами аналізу визначається 85 (із 105) хімічних елементів таблиці Менделєєва, які характеризують загальний хімічний тип води, її властивості та мають те або інше наукове чи практичне значення.

Згідно з Державним стандартом природні води за величиною мінералізації поділяються на такі групи: прісні (до 1 г/кг), солонкуваті (від 1 до 20 г/кг), солоні (20–35 г/кг) та розсоли (більше 35 г/кг). У свою чергу, розсоли поділяються на дуже слабкі (менше 70 г/кг), слабкі (70–140 г/кг), 

міцні (140–270 г/кг), дуже міцні (270–350 г/кг) та надміцні (від 350 до 760 г/кг).

Різні типи мінеральних вод здійснюють на організм людини лікувальний вплив саме завдяки вмісту в цих водах біологічно активних мікроелементів (Fe, Br, I, B, As, Si, F). З промислових вод (які є гідромінеральною сировиною) вилучаються такі мікрокомпоненти, як I, Br, B, Li, Pb, Sr W, S, Y та ін. Загальна кількість хімічних елементів, що вже вилучаються з підземних вод у промислових масштабах і перспективних для вилучення, досягає 30. Широке застосування під час гідрогеохімічного пошуку (за хімічним складом підземних вод) як елементи-індикатори дістали Ag, As, Au, B, Cu, F, Fe, Hg, Li, Mo, Ni, Pb, Zn, Sn, V, U, Ra тощо (усього більше 50 елементів).
У підземних водах вміщується широка гама органічних сполук, що представлені всіма групами (вуглеводні, білки, ліпіди) та класами (карбонові кислоти, вуглеводні, спирти, альдегіди, кетони, аміни, ефіри), що вивчає органічна хімія. Найважливішою характеристикою водорозчинних органічних речовин є величина їх загальної кількості та вміст хімічних елементів, які входять до складу індивідуальних органічних сполук (Сорг., Nорг., Рорг.).
З мікроорганізмів у підземних водах найбільше значення мають бактерії, мікроскопічні водорості, найпростіші та віруси. До групи бактерій належить більша частина одноклітинних мікробів.

Гази у підземних водах знаходяться у сорбованому, розчиненому та вільному станах. Між вільними і розчинними газами існує динамічна рівновага, яка порушується під час зміни температури й тиску. Основними газами підземних вод є: О2, N2, CO2, H2S, H2, NH3, He, Rn, Ne, Ar, Xe, Kr. За походженням вони поділяються на групи: 1) повітряні (N2,O2, CO2, Ne, Ar), що надходять у підземні води з атмосферного повітря; 2) біохімічні (CH4, CO2, N2, H2S, H2, О2, важкі вуглеводні), що утворюються внаслідок розкладу мікроорганізмами органічних і мінеральних речовин; 3) хімічні (CO2, H2S, H2, CH4, CO, N2, SO2, NH3), які утворюються внаслідок взаємодії води та породи; 4) радіоактивні та ядерних реакцій (He, Rn).

Особливою формою графічного зображення хімічного складу підземних вод є гідрогеохімічні карти й розрізи.

5. Визначення напрямку потоку

Рух підземних вод поділяють на два види: гравітаційний та негравітаційний.

Негравітаційний рух одержав назву міграції води. Розповсюджена вона в зоні аерації.

Гравітаційний рух води – це вільний рух води під впливом сили тяжіння.

Розрізняють два види гравітаційного руху: інфільтрацію – вільне просочування води в порах та тріщинах порід, які частково заповнені водою, та фільтрацію – переміщення підземних вод нижче їх дзеркала, в зоні повного насичення, здійснюється під впливом гідравлічного напору або гідростатичного тиску.

Фільтрація може бути безнапірною та напірною.

Безнапірна фільтрація характерна для ґрунтових вод, коли поверхня фільтрувальної води завжди вільна, тиск на неї постійний і дорівнює атмосферному. Напірна фільтрація характерна для артезіанських водоносних горизонтів.

Безнапірний рух підземних ґрунтових вод здійснюється, якщо є різниця рівня води у двох розрізах (рис. 5.4 ). Різниця рівнів ∆Н = Н₁ – Н₂ в розрізах 1 і 2 обумовлює рух води в напрямку розріза 1.

Швидкість руху підземного потоку залежить від різниці напору та від довжини шляху фільтрації L.

Відношення різниці напору ∆Н до довжини шляху фільтрації L називається гідравлічним нахилом або гідравлічним градієнтом І.

6. Агресивність підземних вод

Підземні води впливають на основи, фундаменти та будівельні конструкції.
Негативна дія підземних вод на метал і бетон називається агресією води. 

Залежно від агресивності розрізняють води, які обумовлюють такі агресії:

а)      сульфатну. Якщо у воді підвищена кількість аніонів SO, це призводить до кристалізації у бетоні нових з’єднань, об’єм яких збільшується у 2,5 рази і сприяє руйнуванню бетону;

б)      вуглекислу. Викликає розчинення та вилуговування з бетону складових частин (головним чином – вапна СаСО₃, основну частину цементного каменю). Відбувається, коли у воді мала кількість НСО;

в)      загальнокислотну. Обумовлена низьким показником рН<4,5. При цьому посилюється розчинення вапна. Залізобетон стає стійким, якщо у води рН>11;

г)      магнезіальну. Як і сульфатна веде до руйнування бетону в разі проникнення в нього води з підвищеною кількістю катіонів Мg²⁺;

д)      кисневу. Обумовлена присутністю у воді кисню і відбувається по відношенню до металевих частин, спричиняє їх корозію.