Загальна гідрогеологія

Реферат з дисципліни "Гідрогеологія"

Виконав: Башмаков А. М. Студент IV курсу гр. Г-4

Російський державний гідрометеорологічний університет

Санкт-Петербург 2009

1.0 Будова гідросфери

Гідросфера - Це водна оболонка Землі. До неї відносять: поверхневі і підземні води, прямо чи опосередковано забезпечують життєдіяльність живих організмів, а також вода, що випадають у вигляді опадів. Вода займає переважну частину біосфери. З 510 млн. км2 загальної площі земної поверхні на Світовий океан припадає 361 млн. км2  (71%). Океан -- головний приймач і акумулятор сонячної енергії, оскільки вода має високою теплопровідністю. Основними фізичними властивостями водного середовища є її щільність (в 800 разів вище щільності повітря) і в'язкість (вище повітряної в 55 разів). Крім того, вода характеризується рухливістю в просторі, що сприяє підтримці відносної гомогенності  фізичних і хімічних характеристик. Водні об'єкти характеризуються температурної стратифікацією, тобто зміною температури води на глибині. Температурний режим має істотні добові, сезонні, річні коливання, але в цілому динаміка коливань температури води менше, ніж повітря. Світловий режим води під поверхнею визначається її прозорістю (мутністю). Від цих властивостей залежить фотосинтез бактерій, фітопланктону, вищих рослин, а отже, і накопичення органічної речовини, що  можливо лише в межах евфотіческой  зони, тобто в тому шарі, де процеси синтезу переважають над процесами дихання. Мутність і прозорість залежать від вмісту у воді зважених речовин органічного і мінерального походження. З найбільш значущих для живих організм ів абіотичних факторів у водних об'єктах сле дует відзначити солоність води - вміст у ній розчинених карбонатів, сульфатів, хлоридів. У прісних водах їх мало, причому переважають карбонати (до 80%). У океанічної воді переважають хлориди і почасти сульфати. У морській воді розчинені практично всі елементи періодичної системи, включаючи метали. Інша характеристика хімічних властивостей води пов'язана з присутністю в ній розчиненого кисню і діоксиду вуглецю. Особливо важливий кисень, що йде на дихання водних організмів. Життєдіяльність і поширення організмів у воді залежать від концентрації іонів водню (рН). Усі мешканці води - гідробіонти  пристосувалися до певного рівня рН: одні вважають за краще кислу, інші - лужну, третє -- нейтральне середовище. Зміна цих характеристик, насамперед у результаті промислового впливу, призводить до загибелі гідробіонтів або до заміщення одних видів іншими.

1.1Атмосфера

Атмосфера - Газоподібні оболонка Землі. До неї відносяться: атмосфений повітря; гази, розчинені у поверхневих і підземних водах; газова складова грунтів, а також гази, що виділяються з гірського масиву, які прямо чи опосередковано впливають на життєдіяльність живих організмів. Атмосфера поширюється над Землею до 2 000 км; це від радіуса Землі.

Опції атмосфери:

Регулювання клімату Землі.

Поглинання сонячної радіації.

Пропускає теплове випромінювання Сонця.

Зберігає тепло.

Є середовищем поширення звуку.

Джерело кисневого дихання.

Формування влагооборота, пов'язаного з утворенням хмар і випаданням опадів.

Формуючий фактор літосфери (вивітрювання).

Атмосфера поділяється на:

Тропосфера - Кордон до 10 - 12 км.

стратосферу - Кордон до 55 км від тропосфери.

Мезосфера - Кордон до 85 - 90 км від стратосфери.

термосферу - Кордон до 150 км від мезосфери.

Екзосфера - Кордон до 800 - 2 000 км від термосферу.

Склад атмосфери.

В даний час склад атмосфери знаходиться в стані динамічної рівноваги, що досягається діяльністю живих організмів.

На висоті 100 - 120 км найчастіше зустрічаються азот і кисень; на висоті 400 км знаходиться кисень у атомарному стані (з одним вільним електроном); на висоті 600 - 1600 км найчастіше зустрічають гелій; вище переважає водень.

В нижніх шарах атмосфери (до 25  км) зустрічаються CO2, вуглеводні CxHy, діоксид сірки SO2, оксиди азоту NxOy та ін

Однією з характеристик атмосфери є вологість. Вологість атмосферного повітря визначається його насиченістю водяними  парами. Найбільш бога ти вологою нижні шари атмосфери (1,5 -- 2,0 км), де концентрується приблизно 50% вологи. Количест у водяної пари в повітрі залежить від його температури: чим вища температура, тим більше вологи містить повітря. Однак за будь-якої конкретної температурі повітря існує певна межа його насичення парами води, який є максимальним. Зазвичай насичення повітря парами води не досягає максимуму, і різниця між максимальним і поточним наси щеніем н осіт назва дефіциту вологості, або нестачі насичення. Дефіцит вологості - найважливіший екологічний параметр, оскільки він характеризує відразу дві величини: температуру і вологість. Чим вище дефіцит вологості, тим суші і тепліше, і навпаки. Відомо, що підвищення дефіциту вологості в певні відрізки вегетаційного періоду сприяє інтенсивного плодоношення рослин, а у комах призводить до посиленого розмноженню аж до так званих демографічних "спалахів".  На аналізі динаміки дефіциту вологості засновані багато способів прогнозування різних явищ серед живих організмів.

Температура на поверхні земної кулі визначається температурним режимом атмосфери і тісно пов'язана із сонячним випромінюванням. Відомо, що кількість тепла, що падає на горизонтальну по поверхні, прямо пропорційно синус кута стояння Сонця над горизонтом, тому спостерігаються добові та сезонні коливання температури. Чим вище широта місцевості, тим більше кут нахилу сонячних променів і тим холодніше клімат.

Одним з інструментів атмосфери, що впливають на екологію Землі є вітер. Причина виникнення вітру - неоднаковий нагрівання земної поверхні, пов'язаний з перепадами тиску. Вітровий потік спрямований у бік меншого тиску, тобто  туди, де повітря більш прогрітий. Сила обертання Землі впливає на циркуляцію повітряних мас. У приземному шарі повітря їх рух впливає на всі метеорологічні елементи клімату: режим температури, вологості, випаровування з поверхні Землі і транспірацію рослин. Вітер - найважливіший фактор переносу і розподілу домішок у атмосферному повітрі. Спостерігаються тривалі періоди (цикли) переважною атмосферної циркуляції тривалістю в кілька десятків років. Ці цикли мерідіанальной,  широтної циркуляції періодично змінюються зі сходу на захід, з півночі на південь, а також у протилежних напрямках. З типами атмосферної циркуляції іноді пов'язують періоди одночасної активності багатьох видів тварин, наприклад, періоди спалахів масового розмноження комах. Швидкість і напрямок руху повітряних мас можуть змінюватися залежно від рельєфу, часу доби та інших факторів. Вертикальне рух мас повітря - складний природний процес, який може характеризуватися температурної стратифікацією - зміною температури повітря з висотою.

Тиск атмосфери. Нормальним вважається тиск 1кПа, відповідне 750,1 мм рт. ст. У межах земної кулі існують постійно області низького і високого тиску, причому в одних і тих же точках спостерігаються сезонні і добові коливання тиску. Розрізняють також морський і континентальний типи динаміки тиску. Періодично виникають області зниженого тиску, що характеризуються потужними потоками повітря, що прагне по спіралі до переміщається в просторі центру, носять назву циклонів. Циклони відрізняються нестійкою погодою і великою кількістю опадів.

1.2 Води суші

До вод суші належать води річок, озер, водосховищ і боліт, а також підземні води. Багато води зосереджена також у льодовиках.

В річках-руслових потоках води-зосереджено в кожний момент часу близько 0,002 млн. води.Істочнікі постачання рік (харчування ріки-надходження, приплив води в річку) можуть бути різними: тануть льодовики і снігу, дощі, грунтові води, озера, болота.На практиці дуже рідко зустрічаються річки з яким-небудь одним джерелом, зазвичай вони мають змішане харчування. Однак важливо зрозуміти, який джерело головний: від цього залежить режим річки.

Найважливіша характеристика режиму річки - витрата води. Це обсяг води протікає через поперечний переріз річки за одиницю часу. Відповідно, вимірюють його М3/С.

Витрата води значно змінюється протягом року. Виділяються природи тривалого підйому рівня води в річці, пов'язані з певному порою року.

Великі ріки Землі        

Річка         

Довжина   

(км)         

Площа басейну   

(тис.)         

Середня витрата води (тис.)            

Витрати наносів (млн.год)             

Хуанхе   

Ганг   

Брахма-путра   

Янцзиц-зян   

Амазонка   

Інд   

Іраваді   

Міссі-сіпі   

Меконг   

Амуда-Арья   

Ніл   

Волга         

4700   

2700   

2900   

6300   

6400   

3200   

2200   

6000   

4500   

2500   

6700   

3500         

672   

956   

666   

1942   

5775   

969   

430   

3269   

795   

309   

2870   

1360         

3,3   

11,7   

19,2   

22,0   

175,0   

5,6   

13,6   

18,4   

11,0   

2,0   

2,7   

7,7         

1820   

1450   

725   

500   

500   

435   

300   

300   

170   

96   

62   

18     

Регулярно наступають періоди, коли витрати води в річці мінімальні-в суху або морозну погоду (меженний період, межень). З витратою води пов'язаний і витрата наносів кожній ріки-сумарна кількість проноситься річкою мінеральних і органічних речовин за будь-який проміжок часу

Що корисно знати?

Меандр.

Якщо б ерозія тривала з тією ж швидкістю протягом яких-небудь 14 млн.років, всятерріторія США виявилася б на одному рівні з морем.

До щастя, ландшафтообразованіе відбувається під впливом багатьох геологічних процесів, тому не схоже, щоб материки зникли під океанічної водою в результаті ерозії.

Води суші формується під впливом складної взаємодії фізико-географічних факторів. У багатьох випадках істотно вплинути на природний режим надає господарська діяльність людини.

Фізико-географічні фактори, що визначають режим вод суші, можуть бути розділені на дві основні групи:

1) метеорологічні (головним чином опади, сонячна радіація, температура повітря і грунту, випаровування з поверхні води та грунту);

2) фактори підстилаючої поверхні.

До таких належить геологічну будову водозбору, грунтовий та рослинний покрив, розчленованість рельєфу і, зокрема, ступінь розвитку гідрографічної мережі і глибина її ерозійного врізу, озера і болота, площу і форма водозбору, довжина і ухил річки.

Кліматичні умови є вирішальними для формування загальної водності території і, отже, розташованих в межах її водних об'єктів. Однак на розподіл цієї водності всередині року, на формування найбільш високого або, навпаки, найбільш низького стоку в ряді випадків важливе і навіть вирішальне вплив можуть надавати місцеві фізико-географічні особливості водозборів, наприклад лісистість, заболоченість, рельєф, озерної водозборів, будова грунтів та ін

Вплив підстилаючої поверхні може бути настільки істотним, що всі притаманні даними кліматичних умов особливості режиму вод суші втрачаються повністю. Наприклад, сильний розвиток карсту в басейні річки може призвести до того, що висока весняна повінь, характерне для даної кліматичної зони, не буде виражено на такій річці. Навпаки, різке зниження водності, звичайно що спостерігається в літній період, для річок карстових областей не характерний. Аналогічне вплив на режим річок роблять і озера, розташовані в межах водозбірній площі річки.

Чим більше інтервал часу і чим більше територія, тим меншою мірою позначається безпосередній вплив підстилаючої поверхні на водність що знаходяться на цій території водних об'єктів.

1.3 Підземні води гідросфери

За умовами залягання виділяють три типи підземних вод: верховодку, грунтові і напірні, або артезіанські.

Верховодка називаються підземні води, що залягають поблизу поверхні землі і відрізняються мінливістю розповсюдження і дебіту. Зазвичай верховодка приурочена до лінзам водотривких або слабко проникних гірських порід, що перекриваються водопроникними товщами. Верховодка займає обмежені території, це явище - тимчасове, і відбувається воно в період достатнього зволоження; в посушливий час голи верховодка зникає. Верховодка приурочена до першого від поверхні землі водотривкому пласту. У тих випадках, коли водотривких пласт залягає поблизу поверхні або виходить на поверхню, в дощові сезони розвивається заболочування.

До верховодка нерідко відносять грунтові води, або води грунтового шару. Грунтові води представлені майже пов'язаної водою. Крапельно-рідка вода в грунтах присутня тільки в період надмірного зволоження.

Грунтові води. Грунтовими називаються води, що залягають на першому водотривкому горизонті нижче верховодки. Зазвичай вони приурочені до витриманому водонепроникному пласту і характеризуються більш-менш постійним дебітом. Грунтові води можуть накопичуватися як у пухких пористих породах, так і в твердих тріщинуватих колекторах. Рівень грунтових вод являє собою нерівну поверхню, повторює, як правило, нерівності рельєфу в згладженої формі: на височинах він нижчий, в знижених місцях - вище. Грунтові води переміщуються у бік пониження рельєфу.

Рівень грунтових вод піддається постійним коливанням. Як зазначалося вище, на нього впливають різні фактори: кількість і якість опадів, що випадають, клімат, рельєф, наявність рослинного покриву, господарська діяльність людини і багато чого іншого.

Грунтові води, що накопичуються в алювіальних відкладеннях - одне з джерел водопостачання. Вони використовуються як питна вода, для поливу. Виходи підземних вод на поверхню називаються джерелами, або ключами.

Напірні, або артезіанські води. Напірними називають такі води, що знаходяться в водоносному шарі, укладеному між водотривкими шарами, і відчувають гідростатичний тиск, обумовлений різницею рівнів в місці харчування і виходу води на поверхню. Область харчування у артезіанських вод звичайно лежить вище області стоку води і вище виходу напрних вод на поверхню Землі. Якщо в центрі такий чаші, або мульди, закласти артезіанську свердловину, то вода з неї буде витікати у вигляді фонтану за законом сполучених судин.

Розміри артезіанських басейнів бувають досить значними - до сотень і навіть тисячі кілометрів. Області харчування таких басейнів часто значно віддалені від місць вилучення води. Так, воду, випала у вигляді опадів на території Німеччини та Польщі, отримують в артезіанських свердловинах, пробурених в Москві, у деяких оазисах Сахари отримують воду, випала у вигляді опадів над Європою.

Артезіанські води характеризуються сталістю дебіту і гарною якістю, що важливо для її практичного використання.

2.0 Взаємодія поверхневих вод і підземних

Підземні води служать надійним джерелом постачання рік. Вони діють цілий рік і забезпечують живлення річок в зимову і літню межень (або при низьких рівнях стояння горизонту води), коли поверхневий стік відсутній.

При сильно сповільнених швидкостях руху грунтових вод, у порівнянні з поверхневими, підземні води в річковому стоці виступають як регулюючий фактор.

Також, при сильно сповільнених або невеликих швидкостях руху грунтових вод, на річках Крайньої Півночі при низьких температурах повітря, спостерігається Перемерзання (повне або часткове) річки, і тоді вода заходить з підпірної частині того водойми, в яку впадає річка (це може бути головна річка, море, озеро і тощо). Такі явища спостерігаються, наприклад, у п. Ніжнеянск, який знаходиться в 25 км від гирла р.Яни, де в період стояння низьких темпер?? тур і повного Перемерзання річки на перекатах, з підпору в русло ріки вище за течією від місця Перемерзання, заходить солона вода з Північного Льодовитого океану.

Кількісною мірою харчування служить значення підземного стоку, який, у свою чергу, характеризується так званим модулем підземного стоку: Мподз. = К • М0/100,

де Мподз. - Модуль підземного стоку, л/сек з 1 км2 водозбірній площі;

М0 - Середній багаторічний модуль загального стоку, л/сек з 1 км2 поверхневого водозбірного басейну;

До - Модульний коефіцієнт, який показує відсоток підземного стоку в загальному стоці і що визначається за формулою К = Мmin/М0,

де Мmin - мінімальний модуль стоку, л/сек з 1 км2 поверхневого водозбірного басейну, який визначається за зимовим витраті річки і рівний модулю підземного стоку, тому що річки взимку живляться переважно підземними водами.

Модуль підземного стоку є надійним показником для оцінки водоносність гірських порід, поширених на площі водозбірного басейну будь-якої річки, тому що він являє собою ту кількість підземної води (в л/сек), що надходить до річку з 1 кв. км того або іншого водоносного горизонту, дреніруємой річкою.

Крім цих формул, величина підземного стоку може бути визначена гідрохімічних методом (по А. Т. Іванову): ,

де Qподз - річний обсяг підземного стоку;

Q0 - Річний обсяг річкового стоку;

з - Концентрація якого-небудь компонента (наприклад, хлору) в річковій воді в період спостережень;

c1 - Концентрація того ж компонента в підземних водах в той же період;

c2 - Концентрація того ж компонента в поверхневих водах у той же період.

Згідно Б.І. Куделіна, для більш точного розрахунку підземного стоку малих і середніх річок пропонується розрізняти чотири типи живлення річок підземними водами:

Харчування грунтовими водами, гідравлічно не пов'язаними з річкою;

Харчування грунтовими водами, гідравлічно пов'язаними з річкою;

Змішаний грунтове харчування (a + b);

Змішаний грунтове і артезіанське харчування (a + b + c).

Згідно цих даних Б.І. Куделіна були запропоновані формули для визначення шару hподз і коефіцієнта підземного стоку бподз. Шар підземного стоку виражається в міліметрах на рік (або будь-якої іншої одиниці часу) з одного квадратного кілометри площі підземного басейну і розраховується як: ,

де hподз - шар підземного стоку, мм/рік;

Qподз - Обсяг підземного стоку з площі басейну, м3/год;

F - Площа басейну, м2.

Коефіцієнт підземного стоку бподз являє собою відношення підземного стоку до опадів, випав на площу даного водозбірного річкового басейну, і показує ту частина опадів, яка йде на харчування підземних зон дуже інтенсивного водообміну в басейні: , де x - шар опадів, мм/рік.

Розрахунки підземного стоку звичайно узагальнюються у вигляді карт підземного харчування, коефіцієнтів і модулів підземного стоку, що відображають природні ресурси різних видів підземних вод, розвинених в межах малих і середніх річкових басейнів та їх окремих районів і ділянок

3.0 Формування гідрохімічного складу підземних вод

Формування хімічного складу підземних вод в природних умовах визначається загальними геолого-тектонічними, природними ландшафтно-кліматичними та літолого-фаціальні умовами.