Войти
Поперечный разрез водоносного горизонта. На этой диаграмме показаны два водоносных горизонта с одним водоносным слоем (ограничивающий или непроницаемый слой) между ними, окруженные водоносным слоем коренных пород, который контактирует с набирающим потоком (типично в влажных регионах). Уровень грунтовых вод и ненасыщенная зона также показаны. водоносный горизонт представляет собой подземный слой водоносной несущей проницаемой породы, трещины в горных породах или рыхлые материалы (гравий, песок или ил ). Подземные воды могут быть извлечены из водозаборной скважины. Изучение потока воды в водоносных горизонтах и определение характеристик водоносных горизонтов называется гидрогеологией. Связанные термины включают водоносный слой, который представляет собой пласт с низкой проницаемостью вдоль водоносного горизонта, и водоупорный слой (или водоносный слой), который представляет собой твердую непроницаемую область, лежащую под или над водоносным горизонтом, давление из которых может образовать замкнутый водоносный горизонт.
Водоносные горизонты встречаются от поверхности до глубины более 9000 метров (30 000 футов). Те, которые расположены ближе к поверхности, не только с большей вероятностью будут использоваться для водоснабжения и орошения, но также с большей вероятностью будут пополняться за счет местных осадков. Во многих пустынных районах есть известняковые холмы или горы внутри или вблизи них, которые можно использовать в качестве ресурсов подземных вод. Часть Атласских гор в Северной Африке, Ливан и Антиливан простирается между Сирией и Ливаном, Джебель Ахдар в Омане, части Сьерра-Невады и соседние хребты на юго-западе США имеют неглубокие водоносные горизонты, которые используются для добычи воды. Чрезмерная эксплуатация может привести к превышению практического устойчивого урожая; т. е. забирается больше воды, чем можно пополнить. Вдоль береговых линий некоторых стран, таких как Ливия и Израиль, увеличение водопотребления, связанное с ростом населения, привело к снижению уровня грунтовых вод и последующему загрязнению грунтовых вод. с соленой водой из моря.
A пляж представляет собой модель, помогающую визуализировать водоносный горизонт. Если в песке вырыть яму, очень влажный или насыщенный песок будет располагаться на небольшой глубине. Эта лунка представляет собой необработанный колодец, влажный песок представляет собой водоносный горизонт, а уровень, до которого вода поднимается в этой лунке, представляет собой уровень грунтовых вод.
В 2013 году большие пресноводные водоносные горизонты были обнаружены под континентальными шельфами у берегов Австралии, Китая, Северной Америки и Южной Африки. Они содержат примерно полмиллиона кубических километров воды «низкой солености», которую можно экономично переработать в питьевую воду. Запасы образовались, когда уровень океана был ниже, и дождевая вода просочилась в землю на участках суши, которые не были затоплены до окончания ледникового периода 20 000 лет назад. Объем оценивается в 100 раз больше, чем объем воды, извлеченной из других водоносных горизонтов с 1900 года.
Водоносный слой - это зона на Земле, которая ограничивает поток подземных вод из одного водоносного горизонта в еще один. Иногда водоупор, если он полностью непроницаемый, может называться водоупором или водоупором. Аквитарды состоят из слоев глины или непористой породы с низкой гидравлической проводимостью.
Грунтовые воды можно найти почти в каждой точке земного мелководья. в некоторой степени под землей, хотя водоносные горизонты не обязательно содержат пресную воду. Земную кору можно разделить на две области: насыщенная зона или фреатическая зона (например, водоносные горизонты, водоемы и т. Д.), Где все доступные пространства заполнены водой, и ненасыщенная зона (также называемая зоной вадозы ), где все еще есть карманы с воздухом, которые содержат немного воды, но могут быть заполнены большим количеством воды.
Насыщенный означает, что напор воды превышает атмосферное давление (манометрическое давление>0). Определение уровня грунтовых вод - это поверхность, на которой напор равен атмосферному давлению (где манометрическое давление = 0).
Ненасыщенные условия возникают над уровнем грунтовых вод, где напор отрицательный (абсолютное давление никогда не может быть отрицательным, но манометрическое давление может), а вода, которая не полностью заполняет поры материала водоносного горизонта, находится под всасыванием. содержание воды в ненасыщенной зоне удерживается на месте поверхностными адгезионными силами, и оно поднимается над уровнем грунтовых вод (ноль- манометрическое давление isobar ) за счет капиллярного действия для насыщения небольшой зоны над фреатической поверхностью (капиллярная оторочка ) при давлении ниже атмосферного. Это называется насыщением при растяжении и не то же самое, что насыщение по содержанию воды. Содержание воды в капиллярной кайме уменьшается с увеличением расстояния от поверхности фреатических отложений. Высота капилляра зависит от размера пор почвы. В песчаных почвах с более крупными порами напор будет меньше, чем в глинистых почвах с очень маленькими порами. Нормальный капиллярный подъем в глинистой почве составляет менее 1,8 м (6 футов), но может колебаться от 0,3 до 10 м (от 1 до 33 футов).
Капиллярный подъем воды в небольшом- Диаметр трубки включает тот же физический процесс. Уровень грунтовых вод - это уровень, до которого вода поднимется в трубе большого диаметра (например, в колодце), которая спускается в водоносный горизонт и открыта для атмосферы.
Водоносные горизонты обычно представляют собой насыщенные участки недр, которые производят экономически целесообразное количество воды в колодец или источник (например, песок и гравий или трещиноватая коренная порода часто являются хорошими материалами водоносного горизонта).
Водоносный слой - это зона на Земле, которая ограничивает поток грунтовых вод из одного водоносного горизонта в другой. Полностью непроницаемый водоём называется водоупором или водоупором. Аквитарды состоят из слоев глины или непористой породы с низкой гидравлической проводимостью.
В горных районах (или вблизи рек в горных районах) основные водоносные горизонты обычно представляют собой рыхлый аллювий, состоящий в основном из горизонтальные слои материалов, отложенных водными процессами (реки и ручьи), которые в поперечном сечении (если смотреть на двумерный срез водоносного горизонта) кажутся слоями чередующихся крупных и мелких материалов. Крупнозернистые материалы из-за высокой энергии, необходимой для их перемещения, как правило, находятся ближе к источнику (горные фронты или реки), тогда как мелкозернистый материал удаляет его от источника (к более пологим частям бассейна или по берегу области - иногда называемые областью давления). Поскольку около источника имеются менее мелкозернистые отложения, это место, где водоносные горизонты часто не ограничены (иногда называемые областью переднего залива) или находятся в гидравлическом сообщении с земной поверхностью.
В спектре типов водоносных горизонтов есть два конечных элемента; замкнутый и неограниченный (с полузамкнутым между ними). Неограниченные водоносные горизонты иногда также называют водоносными горизонтами или фреатическими водоносными горизонтами, потому что их верхняя граница - это уровень грунтовых вод или поверхность грунтовых вод. (См. Водоносный горизонт Бискейна.) Обычно (но не всегда) самый мелкий водоносный горизонт в данном месте является неограниченным, то есть у него нет ограничивающего слоя (водоема или водоупора) между ним и поверхностью. Термин «расположенные на возвышении» относится к грунтовым водам, накапливающимся над пластом или пластом с низкой проницаемостью, например слоем глины. Этот термин обычно используется для обозначения небольшой локальной области грунтовых вод, которая находится на высоте выше, чем региональный водоносный горизонт. Разница между возвышающимися и неограниченными водоносными горизонтами заключается в их размере (взгроможденные - меньше). Закрытые водоносные горизонты - это водоносные горизонты, перекрытые ограничивающим слоем, часто состоящим из глины. Ограничивающий слой может обеспечить некоторую защиту от поверхностного загрязнения.
Если различие между замкнутым и неограниченным пространством неясно с геологической точки зрения (т. Е. Если неизвестно, существует ли четкий ограничивающий слой или если геология более сложна, например, водоносный горизонт с трещинами в коренных породах), значение хранимости, полученной в результате теста водоносного горизонта, можно использовать для его определения (хотя тесты водоносного горизонта в неограниченных водоносных горизонтах следует интерпретировать иначе, чем в замкнутых). Замкнутые водоносные горизонты имеют очень низкие значения хранимости (намного меньше 0,01 и всего лишь 10), что означает, что водоносный горизонт накапливает воду, используя механизмы расширения матрицы водоносного горизонта и сжимаемости воды, которые обычно оба довольно небольшие количества. Неограниченные водоносные горизонты имеют запасы (обычно называемые удельной продуктивностью ) более 0,01 (1% от общего объема); они высвобождают воду из хранилища посредством механизма фактического осушения пор водоносного горизонта, высвобождая относительно большое количество воды (вплоть до дренируемой пористости материала водоносного горизонта или минимального объемного содержания воды ).
В изотропных водоносных горизонтах или слоях водоносных горизонтов гидравлическая проводимость (K) одинакова для потока во всех направлениях, а в анизотропном Условиях он различается, в частности, в горизонтальном (Kh) и вертикальном (Kv) смысле.
Полуограниченные водоносные горизонты с одним или несколькими водоносными горизонтами работают как анизотропная система, даже когда отдельные слои изотропны, поскольку составные значения Kh и Kv различны (см. гидравлическая проницаемость и гидравлическое сопротивление ).
При расчете притока к дренажам или притока к скважинам в водоносном горизонте необходимо учитывать анизотропию, чтобы конечная конструкция дренажной системы не могла быть ошибочной..
Чтобы правильно управлять водоносным горизонтом, необходимо понимать его свойства. Необходимо знать многие свойства, чтобы предсказать, как водоносный горизонт отреагирует на ливень, засуху, откачку и загрязнение. Где и сколько воды попадает в грунтовые воды в результате дождя и таяния снега? Как быстро и в каком направлении движутся грунтовые воды? Сколько воды выходит из земли в виде источников. Сколько воды можно стабильно откачивать? Как быстро заражение достигнет колодца или источника? Компьютерные модели можно использовать для проверки того, насколько точно понимание свойств водоносного горизонта соответствует фактическим характеристикам водоносного горизонта. Экологические нормативы требуют, чтобы участки с потенциальными источниками загрязнения продемонстрировали, что гидрология была охарактеризована.
Вода в пористых водоносных горизонтах медленно просачивается через поровые пространства между песчинками Пористые водоносные горизонты обычно встречаются в песке и песчанике. Свойства пористого водоносного горизонта зависят от осадочной среды осадконакопления и более позднего естественного цементирования песчинок. Окружающая среда, в которой было отложено песчаное тело, контролирует ориентацию песчинок, горизонтальные и вертикальные вариации и распределение слоев сланца. Даже тонкие слои сланца являются важным препятствием для потока грунтовых вод. Все эти факторы влияют на пористость и проницаемость песчаных водоносных горизонтов. Песчаные отложения, образованные в мелководной морской среде и в обдуваемых ветром песчаных дюнах, имеют проницаемость от умеренной до высокой, в то время как песчаные отложения, сформированные в речной среде, имеют проницаемость от низкой до умеренной. Осадки и таяние снега попадают в грунтовые воды там, где водоносный горизонт находится у поверхности. Направление потоков грунтовых вод можно определить по поверхностным поверхностным картам уровней воды в колодцах и родниках. Испытания водоносного горизонта и испытания скважин могут использоваться с уравнениями потока закона Дарси для определения способности пористого водоносного горизонта переносить воду. Анализ такого рода информации по площади дает представление о том, сколько воды можно перекачивать без перерасхода и как будет распространяться загрязнение. В пористых водоносных горизонтах грунтовые воды протекают в виде медленного просачивания в порах между песчинками. Скорость потока грунтовых вод в 1 фут в день (0,3 м / сут) считается высокой скоростью для пористых водоносных горизонтов, о чем свидетельствует медленное просачивание воды из песчаника на прилагаемом изображении слева.
Вода в карстовых водоносных горизонтах течет по открытым каналам, где вода течет подземными потоками Карстовые водоносные горизонты обычно возникают в известняке. Поверхностная вода, содержащая природную угольную кислоту, движется вниз в небольшие трещины в известняке. Эта углекислота постепенно растворяет известняк, увеличивая тем самым трещины. Увеличенные щели позволяют проникать большему количеству воды, что приводит к постепенному увеличению отверстий. Множество маленьких отверстий хранят большое количество воды. Отверстия большего размера создают систему водоводов, которая отводит водоносный горизонт к источникам. Характеристика карстовых водоносных горизонтов требует полевых исследований для обнаружения воронок, водостоков, тонущих потоков и родников в дополнение к изучению геологических карт. Обычных гидрогеологических методов, таких как испытания водоносных горизонтов и потенциометрическое картирование, недостаточно для характеристики сложности карстовых водоносных горизонтов. Эти традиционные методы исследования необходимо дополнить следами красителей, измерением весенних расходов и анализом химического состава воды. Геологическая служба США по отслеживанию красителей определила, что обычные модели подземных вод, которые предполагают равномерное распределение пористости, неприменимы для карстовых водоносных горизонтов. По следам трещин формируется линейное выравнивание поверхностных элементов, таких как отрезки прямых потоков и воронки. Расположение скважины на следе трещины или пересечении следов трещины увеличивает вероятность обнаружения хорошей добычи воды. Пустоты в карстовых водоносных горизонтах могут быть достаточно большими, чтобы вызвать разрушительное обрушение или оседание поверхности земли, что может вызвать катастрофический выброс загрязняющих веществ. Скорость потока подземных вод в карстовых водоносных горизонтах намного выше, чем в пористых водоносных горизонтах, как показано на прилагаемом изображении слева. Например, в водоносном горизонте Бартон-Спрингс-Эдвардс следы красителя измеряли скорость потока карстовых грунтовых вод от 0,5 до 7 миль в день (от 0,8 до 11,3 км / д). Быстрый поток подземных вод делает карстовые водоносные горизонты гораздо более чувствительными к загрязнению подземных вод, чем пористые водоносные горизонты.
.
Когда водоносный горизонт выходит за пределы международных границ, применяется термин «трансграничный водоносный горизонт».
Трансграничность - это концепция, мера и подход, впервые представленные в 2017 году. Актуальность этого подхода заключается в том, что физические характеристики водоносных горизонтов становятся лишь дополнительными переменными среди широкого спектра соображений трансграничного характера водоносного горизонта:
Обсуждение меняется с традиционного вопроса «является ли водоносный горизонт трансграничным?» на «насколько трансграничен водоносный горизонт?».
Социально-экономический и политический контекст эффективно подавляет физические характеристики водоносного горизонта, добавляя его соответствующую геостратегическую ценность (его трансграничность)
Критерии, предлагаемые этим подходом, пытаются инкапсулировать и измерить все потенциальные переменные, которые играют роль в определении трансграничного характера водоносного горизонта и его многомерных границ.
Карта основных водоносных горизонтов США по типу породы Подземные воды могут присутствовать в подземных реках (например, пещеры, где вода свободно течет под землей). Это может произойти в эродированных известняковых областях, известных как карстовый рельеф, которые составляют лишь небольшой процент площади Земли. Более обычным является то, что поровые пространства горных пород в недрах просто пропитаны водой, как кухонная губка, которую можно откачать для сельскохозяйственных, промышленных или муниципальных нужд.
Если порода с низкой пористостью сильно трещиноватая, она также может образовывать хороший водоносный горизонт (через трещину течь) при условии, что порода имеет достаточную гидравлическую проводимость для облегчения движения воды. Пористость важна, но сама по себе она не определяет способность породы действовать как водоносный горизонт. Области Деканских ловушек (базальтовой лавы) на западе центральной части Индии являются хорошими примерами горных образований с высокой пористостью, но низкой проницаемостью, что делает их плохими водоносными горизонтами. Точно так же микропористые (верхний мел ) меловые группы на юго-востоке Англии, хотя и обладают достаточно высокой пористостью, имеют низкую проницаемость между зернами и хорошую воду. -пластичность в основном за счет микротрещин и трещин.
Центрально-круговое орошение поля в Канзасе покрывают сотни квадратных миль орошаемых водоносным горизонтом Огаллала Большинство участков суши в Земля имеет под собой какой-то водоносный горизонт, иногда на значительной глубине. В некоторых случаях эти водоносные горизонты быстро истощаются населением.
Пресноводные водоносные горизонты, особенно с ограниченным питанием за счет снега или дождя, также известные как метеорная вода, могут подвергаться чрезмерной эксплуатации и в зависимости от местной гидрогеологии, могут втягивать непитьевую воду или проникновение соленой воды из гидравлически связанных водоносных горизонтов или поверхностных водоемов. Это может быть серьезной проблемой, особенно в прибрежных районах и других районах, где перекачка водоносного горизонта чрезмерна. В некоторых районах грунтовые воды могут загрязниться мышьяком и другими минеральными ядами.
Водоносные горизонты критически важны для проживания людей и сельского хозяйства. Глубокие водоносные горизонты в засушливых районах долгое время служили источниками воды для орошения (см. Огаллала ниже). Многие деревни и даже большие города получают воду из колодцев в водоносных горизонтах.
Городское, ирригационное и промышленное водоснабжение обеспечивается через большие колодцы. Несколько колодцев для одного источника водоснабжения называются «колодцами», которые могут забирать воду из замкнутых или неограниченных водоносных горизонтов. Использование грунтовых вод из глубоких замкнутых водоносных горизонтов обеспечивает лучшую защиту от загрязнения поверхностных вод. Некоторые колодцы, называемые «коллекторными колодцами», специально предназначены для инфильтрации поверхностных (обычно речных) вод.
Водоносные горизонты, обеспечивающие устойчивую добычу пресных грунтовых вод в городских районах и для целей сельскохозяйственного орошения, обычно расположены близко к поверхности земли (в пределах пары сотен метров) и частично подпитываются пресной водой. Это пополнение обычно происходит за счет рек или метеорных вод (атмосферных осадков), которые просачиваются в водоносный горизонт через расположенные над ними ненасыщенные материалы.
Иногда осадочные или «ископаемые» водоносные горизонты используются для обеспечения ирригационной и питьевой воды в городских районах. В Ливии, например, в рамках проекта Муаммара Каддафи Великая рукотворная река перекачивается большое количество грунтовых вод из водоносных горизонтов под Сахарой в густонаселенные районы у побережья. Хотя это сэкономило Ливии деньги по сравнению с альтернативой, опреснением, водоносные горизонты, вероятно, иссякнут через 60-100 лет. Истощение водоносного горизонта было названо одной из причин роста цен на продовольствие в 2011 году.
В рыхлых водоносных горизонтах грунтовые воды образуются из поровых пространств между частицами гравия, песка и ила.. Если водоносный горизонт ограничен слоями с низкой проницаемостью, пониженное давление воды в песке и гравии вызывает медленный дренаж воды из прилегающих ограничивающих слоев. Если эти ограничивающие слои состоят из сжимаемого ила или глины, потеря воды в водоносный горизонт снижает давление воды в ограничивающем слое, заставляя его сжиматься под весом вышележащих геологических материалов. В тяжелых случаях это сжатие может наблюдаться на поверхности земли как проседание. К сожалению, большая часть проседания из-за добычи подземных вод носит постоянный характер (упругий отскок невелик). Таким образом, проседание не только постоянное, но и постоянно сниженная способность сжатого водоносного горизонта удерживать воду.
Водоносные горизонты у побережья имеют линзу пресной воды у поверхности и более плотную морскую воду под пресной водой. Морская вода проникает в водоносный горизонт, распространяясь из океана, и более плотная, чем пресная вода. Для пористых (то есть песчаных) водоносных горизонтов вблизи побережья толщина пресной воды над соленой водой составляет около 12 метров (40 футов) на каждые 0,3 м (1 фут) напора пресной воды выше уровня моря. Это соотношение называется уравнением Гибена-Герцберга. Если у берега перекачивается слишком много грунтовых вод, соленая вода может проникнуть в пресноводные водоносные горизонты, вызывая загрязнение запасов питьевой пресной воды. Многие прибрежные водоносные горизонты, такие как Бискейнский водоносный горизонт около Майами и водоносный горизонт прибрежной равнины Нью-Джерси, имеют проблемы с проникновением соленой воды в результате перекачки и повышения уровня моря.
Схема водного баланса водоносного горизонта Водоносные горизонты на поверхности орошаемых территорий в полузасушливых зонах с повторным использованием неизбежной оросительной воды потери , просачивающиеся в землю при дополнительном орошении из колодцев, подвергаются риску засоления.
Вода для поверхностного орошения обычно содержит соли порядка 0,5 г / л или более, а годовая потребность в орошении составляет порядка 10000 м / га или более, поэтому ежегодный импорт соли составляет порядка 5000 кг / га или более.
Под влиянием непрерывного испарения концентрация соли в воде водоносного горизонта может увеличиваться постоянно и в конечном итоге вызывает проблему окружающей среды.
Для контроля солености в таком случае ежегодно некоторое количество дренажной воды должно сбрасываться из водоносного горизонта с помощью подземной дренажной системы и удаляться через безопасная розетка. Дренажная система может быть горизонтальной (например, с использованием труб плиточных водостоков или канав) или вертикальной (дренаж через колодцы ). Для оценки требований к дренажу может оказаться полезным использование модели подземных вод с компонентом агро-гидросолености, например SahysMod.
Большой артезианский бассейн, расположенный в Австралии, возможно, самый большой подземный водоносный горизонт в мире (более 1,7 миллиона км или 0,66 миллиона кв. миль). Он играет большую роль в водоснабжении Квинсленда и некоторых отдаленных частей Южной Австралии.
Водоносный горизонт гуарани, расположенный под поверхностью Аргентины, Бразилии, Парагвая и Уругвая., является одной из крупнейших систем водоносных горизонтов в мире и важным источником пресной воды. Названный в честь народа гуарани, он покрывает 1200000 км (460000 квадратных миль), с объемом около 40000 км (9600 кубических миль), толщиной от 50 до 800 м (160 и 2620 футов) и максимальная глубина около 1800 м (5900 футов).
Истощение водоносного горизонта является проблемой в некоторых районах и особенно остро стоит в северной Африке, например, в проекте Великая рукотворная река в Ливии. Однако новые методы управления подземными водами, такие как искусственное пополнение и закачка поверхностных вод в сезонные влажные периоды, продлили жизнь многих пресноводных водоносных горизонтов, особенно в Соединенных Штатах.
Водоносный горизонт Огаллала в центральной части Соединенных Штатов Америки является одним из величайших водоносных горизонтов в мире, но в некоторых местах он быстро истощается из-за расширения муниципального использования и продолжения сельскохозяйственного производства. использовать. Этот огромный водоносный горизонт, который лежит в основе частей восьми штатов, содержит в основном ископаемую воду времен последнего оледенения. Ежегодная подпитка в более засушливых частях водоносного горизонта оценивается примерно в 10 процентов от годового водозабора. Согласно отчету 2013 года гидролога-исследователя Леонарда Ф. Коникова из Геологической службы США (USGS), истощение в период с 2001 по 2008 год включительно составляет около 32 процентов совокупного истощения за весь ХХ век. (Konikow 2013: 22). «В Соединенных Штатах крупнейшими потребителями воды из водоносных горизонтов являются сельскохозяйственное орошение и добыча нефти и угля». Кумулятивное общее истощение подземных вод в Соединенных Штатах ускорилось в конце 1940-х годов и продолжало оставаться практически неизменным. скорость до конца века. В дополнение к широко признанным экологическим последствиям истощение подземных вод также отрицательно влияет на долгосрочную устойчивость запасов грунтовых вод, помогая удовлетворить потребности страны в воде ».
Примером значительного и устойчивого карбонатного водоносного горизонта является Водоносный горизонт Эдвардса в центре Техаса. Этот карбонатный водоносный горизонт исторически обеспечивал водой высокого качества почти 2 миллиона человек, и даже сегодня он заполнен из-за огромной подпитки из ряда местных ручьев, рек и озера. Основным риском для этого ресурса является человеческое развитие в районах питания.
Прерывистые песчаные тела у основания формации МакМюррей в Атабаске Нефтеносные пески регион северо-востока Альберты, Канада, обычно называют водоносными горизонтами базальных водных песков (BWS). Насыщенные водой, они заключены под непроницаемыми слоями битумные -насыщенные пески, которые используются для извлечения битума для синтетическая нефть добыча нефти. Там, где они залегают глубоко и подпитка происходит от нижележащих девонских пластов, они соленые, а там, где они мелкие и подпитываются поверхностными водами, они незасоленные.. BWS обычно создают проблемы для извлечения битума, будь то добыча открытым способом или методы на месте, такие как гравитационный дренаж с паровым приводом (SAGD), а в некоторых областях они являются объектами для закачки сточных вод.
