Водоносный горизонт

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Схема водоносного горизонта с указанием зон: водоупор (confining bed), безнапорный водоносный горизонт (англ. unconfining aquifer), напорный/артезианский горизонт (англ. confining aquifer).

Водоносный горизонт, или аквифер (англ. aquifer)[1], — осадочная горная порода, представленная одним или несколькими переслаивающимися подземными слоями горных пород с различной степенью водопроницаемости. Из подземной прослойки водонапорной проницаемой горной породы или неконсолидированных материалов (гравий, песок, ил, глина) могут быть извлечены подземные воды с помощью скважины.

Слои частично состоят из рыхлых материалов: гравия, доломита, ила, известняка, мергеля или песка. Трещины или пустоты между слоями заполнены подземными водами. Горизонт ограничен либо двумя водоупорными пластами (обычно глиной), либо водоупорным пластом и зоной аэрации.

Основные характеристики[править | править код]

  • Статический уровень или пьезометрический уровень в скважине, пробурённой на определённый водоносный горизонт. Измеряется в метрах от поверхности земли.
  • Динамический уровень, появляющийся в том случае, когда из скважины проводится водоотбор, например, погружным насосом. Измеряется в метрах от поверхности земли.
  • Забор воды из водоносного горизонта или дебит скважины измеряется в л/с, м³/ч, м³/сут, тыс. м³/год.
  • Коэффициент водопроводимости измеряется в м³/сут;
  • Скорость сработки статического уровня измеряется в метрах в год, показывает скорость падения уровня воды при заданном заборе воды;
  • Годовая амплитуда колебания уровня воды измеряется в метрах.
  • Глубина залегания подошвы слоя водоносного горизонта. Измеряется в метрах от поверхности земли.
  • Глубина залегания кровли слоя водоносного горизонта. Измеряется в метрах от поверхности земли.
  • Безнапорный горизонт / безнапорный пласт (unconfined, free, phreatic or water-table aquifer) – пласт, в котором верхней границей служит депрессионная (свободная) поверхность, на которой гидростатическое давление равно атмосферному давлению.
  • Артезианский (напорный) водоносный горизонт - горизонт, который находится в более глубоких подземных слоях.
  • Водоупор (confining bed) - горизонт, который практически не пропускает воду. Хорошо уплотненный грунт является водоупором (самоуплотняющийся грунты с высоким содержанием мелких частиц).

Добыча воды[править | править код]

Для добычи воды из водоносных слоёв бурят скважины (буровые), которые являются составной частью водозаборных сооружений.

Поверхностные водоносные горизонты[править | править код]

Водоносные горизонты могут находиться на разной глубине. Те из них, что расположены ближе к поверхности, не только чаще других используются в качестве источников воды для потребления и ирригации, но и чаще пополняются дождями. Многие пустынные регионы имеют в своём составе известняковые холмы или горы, которые могут содержать грунтовые воды. Поверхностные водоносные горизонты, в которых добывается вода, имеются в отдельных частях гор Атлас в Северной Африке, на хребтах Ливан и Антиливан в Сирии, Израиле и Ливане, в части Сьерра-Невада и других горах на юго-западе США.

Чрезмерное использование может привести к снижению уровня грунтовых вод. Вдоль побережья некоторых стран, например Ливии и Израиля, рост населения и увеличившееся потребление воды привели к снижению уровня подземных вод и последующему их загрязнению солёной морской водой.

Типы аквиферов[править | править код]

Геологические материалы могут быть классифицированы как сцементированные породы или неуплотнённые (свободные) отложения. Сцементированные породы могут быть образованы песчаником, сланцеватой глиной, гранитом и базальтом. Неуплотнённые породы содержат зернистые материалы как-то: песок, галечник, ил и глину. Четырьмя главными типами аквифера являются:

  • аллювий (песок, галечник и ил, отложенные реками),
  • пласт осадочных пород (уплотнённые отложения),
  • ледниковые отложения (неуплотнённые отложения, созданные ледниками),
  • вулканические метаморфические породы.

Движение подземных вод[править | править код]

Подземные воды в аллювиях находятся в поровом пространстве между частицами, а в уплотнённых породах — в трещинах. Количество воды, которое может вмещать аквифер, зависит от его пористости, являющейся поровым пространством между зёрнами отложений или объёмом трещин в породе. Для движения воды в породе необходимо, чтобы поровые пространства были соединены между собой. Подземные воды движутся очень медленно внутри аквифера, и скорость движения зависит от размера пространств внутри грунта или породы, соединённости между собой этих пространств и градиента давления водной поверхности.

Проницаемость[править | править код]

Крупнозернистые отложения как песок и гравий обладают более высокой пористостью, чем мелкозернистые отложения как глина и ил, и лучшей соединённостью пор. Крупнозернистые материалы более проницаемы ввиду того, что они обладают большими связанными пространствами или трещинами, позволяющими воде протекать.

В некоторых случаях поровые пространства могут быть заполнены мелкозернистыми отложениями, что уменьшает пористость и затрудняет движение воды, характеризуя аквифер слабопроницаемым. Очень важно уметь определять такие характеристики аквифера, как проницаемость для прогнозирования поведения подземных вод в аквифере.

Проблемы использования водоносных горизонтов[править | править код]

Проседание[править | править код]

В неконсолидированных 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 соседних ограничивающих слоёв. Если эти ограничивающие слои состоят из сжимаемого ила или глины, потеря воды в водоносный горизонт снижает давление воды в ограничивающем слое, заставляя его сжиматься от веса вышележащих геологических материалов. В некоторых случаях это сжатие может наблюдаться на поверхности земли в виде оседания. Большая часть оседания от добычи подземных вод является постоянной (упругий отскок невелик). Таким образом, просадка не только постоянна, но и сжатый водоносный горизонт имеет постоянно сниженную способность удерживать воду.

Проникновение солёной воды[править | править код]

Водоносные горизонты вблизи побережья имеют линзу пресной воды вблизи поверхности и более плотную морскую воду под пресной водой. Морская вода проникает в водоносный горизонт, диффундирующий из океана, и является более плотной, чем пресная вода. Для пористых (т. е. песчаных) водоносных горизонтов вблизи побережья толщина пресной воды поверх солёной воды составляет около 12 метров на каждые 0,3 м пресноводного напора над уровнем моря. Это соотношение называется уравнением Гибена-Герцберга. Если вблизи побережья откачивается слишком много грунтовых вод, солёная вода может проникнуть в пресноводные водоносные горизонты, что приведёт к загрязнению запасов питьевой пресной воды. Многие прибрежные водоносные горизонты, такие как водоносный горизонт Бискейн близ Майами и водоносный горизонт Прибрежной равнины Нью-Джерси, испытывают проблемы с проникновением солёной воды в результате перекачки и повышения уровня моря.

Засоление[править | править код]

Водоносные горизонты в районах поверхностного орошения в полузасушливых зонах с повторным использованием неизбежных потерь оросительной воды, просачивающейся в подземные воды путём дополнительного орошения из скважин, подвергаются риску засоления[2].

Поверхностная оросительная вода обычно содержит соли порядка 0,5 г/л или более, а ежегодная потребность в орошении составляет порядка 10 000 м3/га или более, поэтому ежегодный импорт соли составляет порядка 5000 кг/га или более[3].

Под влиянием непрерывного испарения концентрация соли в воде водоносного горизонта может постоянно увеличиваться и в конечном итоге вызывать экологические проблемы.

Для контроля солёности в таком случае ежегодно определённое количество дренажной воды должно сбрасываться из водоносного горизонта с помощью подземной дренажной системы и удаляться через безопасный выпуск. Дренажная система может быть горизонтальной (т. е. с использованием труб, плиточных дренажей или канав) или вертикальной (дренаж колодцами). Для оценки потребности в дренаже может быть полезным использование модели подземных вод с агрогидросолевой составляющей, например SahysMod.

Глубина, засухи и перекачка[править | править код]

Исследование, проведённое в 2021 году, показало, что приблизительно из 39 миллионов исследованных подземных вод 6-20% подвержены высокому риску пересыхания, если местный уровень подземных вод снизится на несколько метров или – как во многих районах и, возможно, более чем в половине основных водоносных горизонтов[4] – продолжит снижаться[5][6].

Водоносные горизонты в разных частях света[править | править код]

Африка[править | править код]

Истощение водоносных горизонтов является проблемой в некоторых районах и особенно критично в Северной Африке, например, в ливийском проекте "Великая рукотворная река". Однако новые методы управления подземными водами, такие как искусственная подпитка и закачка поверхностных вод в сезонные влажные периоды, продлили срок службы многих пресноводных водоносных горизонтов, особенно в Соединённых Штатах.

Австралия[править | править код]

Большой Артезианский бассейн, расположенный в Австралии, возможно, является крупнейшим водоносным горизонтом подземных вод в мире[7] (более 1,7 млн км2). Он играет большую роль в водоснабжении Квинсленда и некоторых отдалённых районов Южной Австралии.

Канада[править | править код]

Прерывистые песчаные тела в основании формации Мак-Мюррей в районе нефтеносных песков Атабаска на северо-востоке Альберты, Канада, обычно называют водоносными горизонтами Базального водного песка (BWS)[8]. Насыщенные водой, они заключены под непроницаемыми битумонасыщенными песками, которые используются для извлечения битума для производства синтетической сырой нефти. Там, где они залегают глубоко и подпитываются из нижележащих девонских формаций, они солёные, а там, где они мелководны и подпитываются поверхностными водами, они не солёные. Горизонты BWS, как правило, создают проблемы для извлечения битума, будь то при открытой добыче или с помощью методов на месте, таких как гравитационный дренаж с помощью пара, и в некоторых районах они являются мишенями для закачки сточных вод[9].

Южная Америка[править | править код]

Водоносный горизонт Гуарани, расположенный под поверхностью Аргентины, Бразилии, Парагвая и Уругвая, является одной из крупнейших в мире систем водоносных горизонтов и важным источником пресной воды[10]. Названный в честь народа гуарани, он занимает площадь 1 200 000 км2, с объёмом около 40 000 км3, толщиной от 50 до 800 м и максимальной глубиной около 1800 м.

CША[править | править код]

Водоносный горизонт Огаллала в центральной части Соединённых Штатов является одним из крупнейших водоносных горизонтов в мире, но в некоторых местах он быстро истощается из-за растущего муниципального использования и продолжающегося сельскохозяйственного использования. Этот огромный водоносный горизонт, который лежит в основе частей восьми штатов, содержит в основном ископаемую воду со времён последнего оледенения. Ежегодная подпитка в более засушливых частях водоносного горизонта, по оценкам, составляет всего около 10 процентов от ежегодных изъятий. Согласно отчёту Геологической службы США (USGS) за 2013 год, истощение в период с 2001 по 2008 год включительно составляет около 32 процентов от совокупного истощения в течение всего 20-го века"[11]. В США крупнейшие потребители воды из водоносных горизонтов включают сельскохозяйственное орошение и добычу нефти и угля[12]. "Совокупное общее истощение подземных вод в Соединённых Штатах ускорилось в конце 1940-х годов и продолжалось почти с постоянной линейной скоростью до конца века. В дополнение к широко признанным экологическим последствиям, истощение подземных вод также отрицательно влияет на долгосрочную устойчивость поставок подземных вод для удовлетворения потребностей страны в воде".

Примером значительного и устойчивого карбонатного водоносного горизонта является водоносный горизонт Эдвардса в центральном Техасе[13]. Этот карбонатный водоносный горизонт исторически обеспечивал высококачественную воду почти для 2 миллионов человек, и даже сегодня он полон из-за огромной подпитки из ряда местных ручьёв, рек и озёр. Основным риском для этого ресурса является развитие человеческого потенциала в районах пополнения запасов.

См. также[править | править код]

Примечания[править | править код]

  1. В российской гидрогеологии термин «аквафер» не употребляется в официальной и отчётной документации.
  2. A.J. Duncan, S.A. Tarawali, P.J. Thorne, D. Valbuena, K. Descheemaeker. Integrated crop-livestock systems − a key to sustainable intensification in Africa // Tropical Grasslands - Forrajes Tropicales. — 2013. — Т. 1, вып. 2. — С. 202. — ISSN 2346-3775. — doi:10.17138/tgft(1)202-206.
  3. Mr. Abdullah k. Khamis. Drainage of Irrigated Land (WATER - LOGGING AND SALINITY CONTROL, DRAINAGE WATER DISPOSAL AND RESUSE.) // Drainage VIII, 21-24 March 2004. — St. Joseph, MI: American Society of Agricultural and Biological Engineers. — doi:10.13031/2013.15732.
  4. James S. Famiglietti, Grant Ferguson. The hidden crisis beneath our feet (англ.) // Science. — 2021-04-23. — Vol. 372, iss. 6540. — P. 344–345. — ISSN 1095-9203 0036-8075, 1095-9203. — doi:10.1126/science.abh2867.
  5. Scott Jasechko, Debra Perrone. Global groundwater wells at risk of running dry // Science. — 2021-04-22. — Т. 372, вып. 6540. — С. 418–421. — ISSN 1095-9203 0036-8075, 1095-9203. — doi:10.1126/science.abc2755.
  6. Scott Jasechko, Debra Perrone. Global groundwater wells at risk of running dry (англ.) // Science. — 2021-04-23. — Vol. 372, iss. 6540. — P. 418–421. — ISSN 1095-9203 0036-8075, 1095-9203. — doi:10.1126/science.abc2755.
  7. J. Rolfe. Valuing reductions in water extractions from groundwater basins with benefit transfer: The Great Artesian Basin in Australia // Water Resources Research. — 2010-06. — Т. 46, вып. 6. — ISSN 0043-1397. — doi:10.1029/2009wr008458.
  8. reillyc, JETHE Editor Letter - December 2020.pdf. dx.doi.org. Дата обращения: 31 мая 2021.
  9. D. Barson. Flow systems in the Mannville Group in the east-central Athabasca area and implications for steam-assisted gravity drainage (SAGD) operations for in situ bitumen production // Bulletin of Canadian Petroleum Geology. — 2001-09-01. — Т. 49, вып. 3. — С. 376–392. — ISSN 0007-4802. — doi:10.2113/49.3.376.
  10. Jo-Ansie van Wyk. Atomic/Nuclear Diplomacy // The Encyclopedia of Diplomacy. — Oxford, UK: John Wiley & Sons, Ltd, 2018-05-03. — С. 1–18. — ISBN 978-1-118-88791-2, 978-1-118-88515-4.
  11. Leonard F. Konikow. Groundwater depletion in the United States (1900−2008) // Scientific Investigations Report. — 2013. — ISSN 2328-0328. — doi:10.3133/sir20135079.
  12. Washington Post Washington, DC, Poll, May 2002. ICPSR Data Holdings (23 мая 2003). Дата обращения: 31 мая 2021. Архивировано 14 марта 2020 года.
  13. Rick Illgner, Geary M. Schindel. Historical note: The Edwards Aquifer Authority // The Edwards Aquifer: The Past, Present, and Future of a Vital Water Resource. — Geological Society of America, 2019. — ISBN 978-0-8137-1215-4.

Ссылки[править | править код]