Общие сведения о гидрогеологических картах и разрезах

По гидродинамическому признаку подземные воды зоны насыщения подразделяются на безнапорные (грунтовые) и напорные (артезианские).

Безнапорные (грунтовые) воды (воды со свободной поверхностью) – подземные воды первого от поверхности постоянно существующего водоносного горизонта, залегающего на первом выдержанном водоупорном пласте.

Грунтовые воды - воды, не насыщающие полностью весь водопроницаемый пласт, их поверхность является свободной; давление на поверхности воды равно атмосферному давлению. Установившийся уровень грунтовых вод обычно фиксируется на том же уровне, где он был встречен при бурении скважины. Глубина до грунтовых вод по разрезу определяется разностью отметок поверхности земли и установившегося уровня воды, мощность потока - разностью отметок уровня грунтовых вод и водоупорной подошвы водоносного пласта. Грунтовые воды в зоне полного насыщения передвигаются при наличии разности гидравлических напоров (уровней) от мест с более высоким к местам с более низким напором (уровнем). Разность напоров h = Н₁ - Н₂ в сечениях I-I и II-II обуславливает движение воды в направлении сечения II-II (рис. 7).

Грунтовый водоносный горизонт

1 - водопроницаемые породы;

2 - первый от поверхности выдержанный водоупорный слой;

3 - уровень грунтовых вод;

J - уклон (гидравлический градиент) грунтового потока между сечениями I-I и II-II J = ∆h /∆l;

h_в - глубина вскрытия подземных вод;

Н - мощность грунтового потока.

Форма поверхности грунтовых вод зависит от водопроницаемости пород, условий питания водоносного горизонта, конфигурации берегов рек, к которым стекаются грунтовые воды, понижения водоупора, мощности водоносного пласта и т.д.

О форме поверхности грунтовых вод можно судить по карте гидроизогипс.

Гидроизогипсами называют линии, соединяющие точки с одинаковой абсолютной отметкой высоты поверхности грунтовых вод, или - это линии - горизонтали зеркала грунтовых вод.

Схему, на которой показаны гидроизогипсы, выработки, колодцы, источники, иногда элементы рельефа, называют картой гидроизогипс. Она является основной площадной характеристикой грунтового потока. Такая карта позволяет определить направление грунтового потока, наклон водного зеркала и глубину его на разных участках, область питания и разгрузки горизонта, взаимоотношения с поверхностными водными объектами, которые могут разгружать грунтовый горизонт, подпитывать его или и разгружать, и подпитывать.

Для строительных целей карты гидроизогипс необходимы при решении задач, связанных с проектированием водозаборов подземных вод, борьбой с подтоплением территории и др.

Для построения карты гидроизогипс пользуются данными замеров глубин залегания уровней грунтовых вод в скважинах, шурфах, колодцах, горных выработках, отметками источников, сведениями водомерных постов на поверхностных водоемах.

Так как уровень грунтовых вод постоянно изменяется под влиянием различных природных и искусственных факторов, все данные, используемые при построении карт гидроизогипс, должны быть взяты на одну дату, т. е. получены по одновременным замерам всех точек наблюдения, поэтому карты гидроизогипс всегда датируются.

Карты гидроизогипс составляют в масштабах от 1:10000 до 1:200000 в зависимости от характера и стадии гидрогеологических исследований. Сечение гидроизогипс выбирают в зависимости от принятого масштаба карты, густоты пунктов наблюдений за уровнем грунтовых вод, уклона их поверхности. Обычно берут сечения 0,5, 1, 2, 5 и более метров.

Кроме карт гидроизогипс для целей проектирования и строительства могут составляться карты глубин залегания поверхности грунтовых вод, или карты гидроизобат. Гидроизобатами называют линии, соединяющие точки с одинаковыми глубинами залегания грунтовых вод. Карты гидроизобат строят методом интерполяции глубин залегания уровня грунтовых вод.

Чаще всего для решения различных практических задач, карты гидроизогипс и гидроизобат составляют на одной и той же топографической основе.

Анализ карт гидроизогипс позволяют составить краткую гидрогеохимическую характеристику участка. По карте гидроизогипс можно определить:

- направление движения грунтовых вод на заданном участке;

- глубину залегания грунтовых вод в любой точке или на любом участке;

- уклон грунтового потока;

- характер взаимосвязи грунтовых вод с поверхностными водами;

- условия питания и разгрузки подземных вод.

Направление движения грунтовых вод определяется по нормалям к 2-м смежным гидроизогипсам. Движение воды направлено от более высоких отметок уровня к более низким отметкам.

Глубину залегания грунтовых вод в любом заданном пункте определяют по разности отметок между горизонталями рельефа и гидроизогипсы.

Уклон потока подземных вод (J) определяется для любого заданного участка карты делением сечения карты гидроизогипс на кратчайшие расстояния между двумя гидроизогипсами, взятые в масштабе карты:

,

где Н₁ и Н₂ - отметки уровня грунтовых вод в двух точках;

L - расстояние между этими точками в масштабе карты. Для определения уклона грунтового потока выбирается участок с наиболее равномерным и прямолинейным распределением гидроизогипс.

Связь грунтовых вод с поверхностными водами определяется по характеру сопряжения гидроизогипс с водоемами:

- если грунтовый поток направлен к реке, то он дренируется рекой,

- если поток грунтовых вод направлен от реки - река дренируется грунтовыми водами.

По соотношению и характеру изменения гидроизогипс могут быть выделены водоразделы подземных вод, участки их питания и разгрузки.

Участки замкнутых гидроизогипс с высокими отметками указывают на положение водоразделов грунтовых вод, где условия питания наиболее благоприятны.

Зоны с нулевой глубиной до воды указывают на участки выхода подземных вод на поверхность земли.

Артезианские (напорные) воды– это подземные воды, залегающие в водоносных пластах (горизонтах) между водоупорными слоями, находящиеся в первично сжатом состоянии, и имеющие напор (рис. 8). Они заполняют водоносный пласт на всю его мощность. При вскрытии таких водоносных пластов буровыми скважинами уровень воды в них поднимается выше кровли водоносного пласта. Этот уровень называется напорным или пьезометрическим. Иногда уровень воды в скважинах, вскрывших водоносный пласт, поднимается выше поверхности земли, и вода из них изливается на поверхность.

Пьезометрическая поверхность не является реальной поверхностью воды, пьезометрический уровень устанавливается только в скважинах, вскрывших артезианский водоносный пласт. На тех участках, где отсутствуют скважины, пьезометрический уровень можно установить по картам гидроизопьез.

Схема напорного водоносного горизонта

Рис. 8

1 - песок;

2 - водоупор;

3 - горизонт межпластовых напорных вод;

4 - пьезометрический уровень напорных вод;

m - мощность напорного горизонта;

h_н - глубина вскрытия напорного водоносного горизонта;

Н - величина напора.

Гидроизопьезами (пьезоизогипсами) называют линии, соединяющие точки с одинаковыми абсолютными отметками пьезометрического уровня. Совокупность таких линий образует карту гидроизопьез. Изопьезы являются линиями напоров, а линии, проведенные перпендикулярно к ним, показывают направление движение потока и называются линиями токов. Избыточный напор ∆Н_изб (избыточное пластовое давление) - это высота столба воды над кровлей пласта, характеризующая дополнительный (по отношению к атмосферным условиям) напор, под которым находятся подземные воды в данном водоносном горизонте. Определяется он как разность отметок кровли водоносного пласта и пьезометрической поверхности.

Для построения карт гидроизопьез необходимо располагать данными о глубине залегания пьезометрического уровня в скважинах, колодцах и других горных выработках, необходимо иметь абсолютные отметки их устьев. Кроме водопунктов, расположенных в зоне напора артезианских вод, необходимо использовать отметки источников, урезов рек, расположенных в областях питания и разгрузки артезианских вод и имеющих гидравлическую связь с подземными водами. Для каждого водопункта, вычисляются абсолютные отметки пьезометрического уровня, и методом интерполяции строят карты гидроизопьез.

Карты гидроизопьез строят в масштабах от 1:25000 до 1:200000 в зависимости от характера и стадии гидрогеологических исследований. Сечение гидроизопьез выбирают в зависимости от принятого масштаба карты, густоты пунктов наблюдений за уровнем подземных вод, уклона их поверхности. Обычно берут сечения 0,5, 1, 2, 5 м и более. Карты гидроизопьез могут совмещаться с картами изолиний кровли и подошвы водоносного пласта.

При построении карт гидроизопьез необходимо учитывать некоторые особенности, связанные с условиями залегания артезианских вод.

- Водоносные горизонты артезианских вод изолированы сверху от влияния метеорологических факторов толщей водоупорных пород, поэтому пьезометрические уровни не испытывают заметных колебаний во времени. Следовательно, при построении карт гидроизопьез можно использовать разновременные замеры уровней воды по водопунктам.

- Артезианские воды не имеют обычно прямой гидравлической связи с водами поверхностных водотоков и водоемов, поэтому возможно интерполировать между собой точки, расположенные на разных склонах речных долин и оврагов.

Карта гидроизопьез отражает форму пьезометрической поверхности артезианских вод, поэтому по такой карте можно определить важные гидрогеологические показатели водоносного пласта и охарактеризовать основные особенности его строения.

Форма пьезометрической поверхности во многом определяется водопроницаемостью пород и мощностью водоносного пласта.

Теоретически в однородных по водопроницаемости пластах постоянной мощности пьезометрическая поверхность должна иметь вид плоскости (в сечении - прямая линия), а гидроизопьезы - вид прямых, расположенных друг от друга на одинаковом расстоянии. В действительности, вследствие фильтрации воды через кровлю и подошву пласта и проявления упругих сил в воде и в водоносной породе, пьезометрическая поверхность имеет изогнутый вид. По сгущению и разряжению гидроизопьез судят об изменении мощности водоносного горизонта или водопроницаемости пород. Если водопроницаемость пород увеличивается вниз по потоку, пьезометрическая поверхность выравнивается - гидроизопьезы разряжаются. При уменьшении водопроницаемости пьезометрическая поверхность становится круче, а гидроизопьезы сгущаются. Если мощность водоносного пласта увеличивается по потоку, пьезометрическая кривая выполаживается, а при уменьшении мощности она становится круче.

По карте гидроизопьез можно судить о связи напорных вод с поверхностными водоемами и водотоками. Если русло реки врезано в водоносный горизонт - напорные воды стекают в реку. Гидроизопьезы вблизи реки изменяют свою форму, «упираясь» в реку, в пьезометрической поверхности образуется понижение - депрессия. При затрудненной гидравлической связи напорного водоносного пласта пьезометрическая поверхность вблизи реки имеет слабо изогнутый вид. Отметки гидроизопьез значительно выше отметок уровня воды в реке и пересекают ее.

По карте гидроизопьез можно также решить и другие вопросы:

1) определить направление движения подземных вод на заданном участке, вычислить уклон пьезометрической поверхности;

2) выяснить глубину до воды или отметку уровня воды в любой заданной точке; определить для любой точки высоту напора воды над кровлей водоносного пласта;

3) выделить участки, где отметки пьезометрического уровня превышают отметки поверхности земли и возможен самоизлив;

4) определить области питания, напора и разгрузки горизонта напорных вод.

Гидрогеологические разрезы- форма графической обработки и обобщения информации, разрезы характеризуют гидрогеологические условия территории в вертикальной плоскости.

Гидрогеологические разрезы характеризуют условия залегания и приуроченность подземных вод к различным горным породам, их связь с поверхностными водами, положение уровня подземных вод.

Для построения разреза необходимы:

- топографическая карта;

- геологический и геоморфологический профили по выбранному направлению;

- геолого-литологические колонки скважин, шурфов и других выработок, находящихся на линии разреза или вблизи него;

- результаты наблюдений за уровнем подземных вод в скважинах, колодцах и других выработках, результаты наблюдений на гидрометрических постах;

- специализированные исследования в скважинах и т. п.