Водоносный горизонт
Водоносный горизонт или аквифер (англ. aquifer ) — 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.
Содержание
Основные характеристики
Добыча воды
Для добычи воды из водоносных слоёв бурят скважины (буровые), которые являются составной частью водозаборных сооружений.
Поверхностные водоносные горизонты
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
Геологические материалы могут быть классифицированы как сцементирванные породы или неуплотнёные (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:
Движение подземных вод
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
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 в виду 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.
Водоносные пласты и виды скважин на воду
Локальная сеть водоснабжения на частном участке – это пробуренная скважина с установкой в нее глубинного насоса. Но необходимо понимать, что существует несколько видов скважин, которые друг от друга отличаются сильно. И основной их показатель – это глубина. Поэтому перед хозяином дома всегда стоит вопрос, какую скважину бурить. Чтобы на него ответить, необходимо разобрать виды скважин на воду и понять, какая из них лучше.
Но перед тем как разбираться с поставленной задачей, необходимо разобраться с водоносными пластами, которые залегают в земле. Ведь именно из них и будет качаться вода для дома.
Виды скважин на воду
Виды водоносных пластов
Итак, грунт состоит из разных пород, и каждая из них располагается в горизонтальной плоскости. Есть два вида грунтовых пластов: водоупор и рыхлые слои. Первый формируется из прочных и плотных пород. У такого пласта минимальная водопроницаемость, через него вода свободно пройти не может. На небольшой глубине в основном располагаются водоупоры из плотных глин, реже из скальных пород. Глубже располагаются водоупоры из известняка или плотного камня.
Рыхлые слои грунта – это песок, галька, неплотный известняк, ил, мергель и другие. Такие пласты обычно располагаются над водоупорами и являются водонесущими, потому что их плотность значительно меньше. Именно в них и собирается влага в достаточном количестве, которая и образуют водоносный горизонт. И именно из них можно добыть воду, если пробурить скважину или вырыть колодец.
Внимание! Чем глубже располагается водоносный горизонт, тем чище в нем вода, а объем ее больше.
И хотя это общая тенденция, надо отдать должное региону, где будет буриться скважина, и количеству выпадающих в нем осадков. Сюда надо добавить тип грунта. Именно от этих трех факторов будет зависеть глубина залегания водоносных пластов.
Водоносные слои
На фото выше очень хорошо видно, сколько водоносных слоев располагается в земле, и какой из них верхний, а какой нижний. Разберемся с ними по отдельности.
Верховодка
Это пласт, который располагается близко к поверхности земли. Обычно их объем небольшой, потому что они располагаются над водоупорами небольшой площади. Необходимо отметить, что верховодка располагается не везде.
Сверху нее обычно располагается верхний слой грунта с почвой, нет над ней никаких фильтрующих слоев, поэтому вода в этом слое содержит большое количество загрязнений. И качество такой воды очень низкое, особенно в тех районах, где активно ведется человеческая деятельность. Подпитывается верховодка только осадками, поэтому максимальный объем воды в ней будет только в сезон дождей и таяния снега.
Выбирая этот водоносный слой в качестве источника воды для дома, хозяин рассчитывает на минимальные затраты и простоту бурения скважины, так как верховодка располагается на глубине 2-8 м.
Грунтовые воды
Этот водоносный пласт располагается над водоупором большой площади, который является первым от поверхности земли. Он залегает глубже верховодки приблизительно на глубине 10-30 м.
Чаще всего и эти воды не защищены фильтрующим пластом. Поэтому жидкость в них редко соответствует нормам питьевой воды. Но проникая глубоко, водные потоки большую часть загрязнений оставляют в верхних пластах, так что у них процент загрязнения намного ниже, чем у верховодки. Но даже эти слои в основном зависят от количества выпавших природных осадков.
Грунтовые и межпластовые слои
Межпластовые воды
Из самого названия становится понятным, что этот водоносный слой располагается между двумя водоупорами. Так как водоупорных пластом может быть много, соответственно и количество межпластовых слоев может быть не один на одном загородном участке. Их глубина расположения 20-80 м, некоторые из них могут располагаться и выше, иногда выходя за пределы почвы в виде родников.
Так как над межпластовыми водами располагаются водоупоры, то вода, проходя через природные фильтры, становится очень чистой, приемлемой для питья. И хотя не каждый межпластовый горизонт несет в себе большой объем воды, нередко можно при бурении попасть в огромное озеро. Практика показывает, чем глубже в недра земли, тем чище вода, а ее количества больше.
Артезианские воды
Их можно назвать подвидом межпластовых вод, но они располагаются на большой глубине (100-1000 м). Зажаты они обычно большими водоупорами, поэтому в них вода находится под приличным давлением. При бурении артезианской скважины вода из нее просто фонтанирует.
Виды скважин
С водоносными пластами все понятно. Теперь нужно разобраться с видами бурения скважин.
Абиссинский колодец
Его еще называют скважиной Нортона, потому что технологию бурения этой скважины на воду придумал британский инженер Нортон. Такую скважину не бурят, здесь используется способ забивания обсадных труб в землю, поэтому на конце первой трубы устанавливается острый наконечник. Чуть выше в самой трубе делаются небольшие отверстия, через которые вода будет поступать в обсадку. Они же будут выполнять функции фильтра.
Обсадная труба для абиссинского колодца
Забивать трубы глубоко не получиться, особенно в землю, где много камней. Поэтому глубина бурения максимум 12 м.
Песчаная
Полноценная скважина, которая даст большой объем воды для загородного дома, должна доходить до рыхлой породы (песка, гальки или их смеси). Поэтому технология бурения песчаной скважины на воду может быть выполнена или вручную с использованием бура, или при помощи небольшой автоматической буровой установки. Можно, конечно, принять услуги самоходной установки, которая располагается на автомобильном шасси. Но стоит такая услуга недешево.
В совокупности с ценой на все элементы водопровода, которые могут понадобиться (насосное оборудование, трубы и шланги, кессон для защиты насоса и скважины если выбран поверхностный вариант, гидроаакумулятор и т. д.) общая стоимость скважины может получиться достаточно внушительной. Поэтому чаще всего останавливаются на применении небольшой буровой установки или на ручном способе. По времени, бурение такой скважины проходит достаточно быстро – водоносный слой достигается за 2-3 дня. После этого монтируют осадку, элементы водопровода и воду можно использовать.
Малогабаритная буровая установка
Необходимо отметить, что скважина на песок прослужит 10-30 лет в зависимости от объема воды в пласте. При ее устройстве используют стальную или пластиковую осадку. Пластиковая труба стала использоваться недавно. Она не ржавеет, ее цена в разы меньше стальной. Но у нее низкий прочностной ресурс. Если скважина проходит в плывунах, то последние легко ее сдавливают.
Артезианская
Такие скважины еще называют известковыми. В принципе, отличительная особенность у них от песчаной одна – это отсутствия фильтра на конце трубы. Потому что вода в нижних водоносных пластах чистая с минимальным количеством примесей.
Скважины на известняк имеют большой водный ресурс, поэтому их срок эксплуатации – 50 лет. Ее дебит составляет минимум 10 м³/ч. Если сравнивать данный показатель с песчаной разновидностью, то у последней он равен 3 м³/ч. И это максимальный показатель.
Бурение артезианской скважины
Конечно, тот, кто хочет получить чистейшую воду для собственного потребления на много лет вперед, отдает свое предпочтение артезианскому колодцу. Правда, стоит такое сооружение немалых денег, поэтому обычно соседи объединяются и бурят его на несколько домов.
Колодцы и скважины: какие бывают водоносные слои
Люди — не рыбы, но вода — необходимое условие для жизни человека, как, впрочем, и любого другого живого существа. А лёгкий к ней доступ, достаточное количество и надлежащее качество — основные условия комфорта и хорошего уровня жизни.
В среднем за 75 лет жизни современный гражданин развитых стран так или иначе, в качестве питьевой или на хозяйственно-гигиенические цели (стирка, мытьё, туалет и прочее), потребляет от 3,8 до 19 млн литров воды. То есть от 138 до 694 литров в сутки. Жители не слишком цивилизованных районов на собственные нужды расходуют в разы меньше — за 75 лет всего 380 тысяч литров воды, то есть около 13 литров (одно ведро) в день.
Колодец
Большая часть территории нашей страны не страдает от недостатка воды, но в мире существует немало мест, где живительная влага в принципе — редкость, а дефицит воды, пригодной для питья, существует не только в фантастических фильмах о судном дне. По данным последнего доклада ООН, к 2030 году более половины (67%) населения нашей планеты будут испытывать нехватку питьевой воды.
Как говорится в песенке из знаменитого советского фильма: «Ни побриться, ни попить, ни помыться, ни поплыть, человеку без воды — и ни туды и ни сюды!»
Вода — наша абсолютная необходимость
В загородном доме вопрос водоснабжения владельцу часто приходится решать собственными силами, потому что магистральный водопровод есть далеко не везде, да и качество водопроводной воды может не устраивать: например, напор слабый, а вода ржавая. И если горожанин вынужден мириться с тем, что ему поставляют коммунальные службы, используя локальные методы борьбы — устанавливая напорные насосы, расширительные баки и фильтры очистки, то землевладелец может попробовать решить проблему водоснабжения в свою пользу. Один из способов получения воды для бытовых нужд человека — это использование подземных вод.
Колодцы и скважины для добычи подземной воды используются людьми с давних пор. Не утратили они своего значения и по сей день: наличие воды на участке значительно повышает стоимость недвижимости. А возможность иметь свою воду решает вопросы не только комфорта, приближенного к привычным городским условиям, но и позволяет землевладельцу стать автономным, независимым от капризов коммунальных служб.
Вода на участке: откуда она берётся
Схема круговорота воды в природе
Подземными называют воды, находящиеся ниже уровня поверхности земли, в горных породах верхних областей земной коры в жидком, газообразном или твёрдом состоянии. Жидкую часть подземных вод, находящуюся в свободном состоянии, способную перемещаться под действием сил гравитации, гидрогеологи именуют фреатическими, то есть «наполняющими колодцы».
Фреатические воды, в зависимости от степени водопроницаемости, влагоёмкости и способности к водоотдаче горных пород, в которых они накапливаются, образуют водоносные горизонты, совокупность которых формирует водоносные комплексы.
Водоносный горизонт
Водоносные горизонты подстилаются водонепроницаемыми или слабо водопроницаемыми пластами — массивами гранита, глины. Водонепроницаемые пласты называются водоупорами. Надо понимать, что полностью водонепроницаемых грунтов нет: вода дырочку найдёт. Говоря о том, что пласт водонепроницаем, имеют в виду его крайне слабую водопроницаемость.
Родник Соколовский ключ в Валдайском районе
В большинстве случаев водоносные горизонты скрыты под поверхностью почвы: для добычи воды аквиферы вскрывают с помощью колодцев или скважин. Но бывает, что они вскрываются естественным путём, обнажаясь на склонах холмов или оврагов. Такое место выхода подземной воды на поверхность называют ключом или родником.
Откуда берётся вода в водоносном горизонте
Происхождение подземных вод различно в зависимости от глубины их залегания. В нижних слоях земной коры находятся метаморфогенные, магматогенные и седиментогенные подземные воды. Они появились миллионы лет назад, во время формирования земной коры: при извержении вулканов (магматогенные), метаморфизма осадочных горных пород (метаморфогенные) или в результате выдавливания воды последующими наслоениями из иловых осадков древних морей (седиментогенные). Такие подземные источники воды представляют величайший интерес для геологов, гидрогеологов и палеонтологов, но совершенно бесполезны для дачников и владельцев загородных домов, мечтающих о водопроводе на собственном участке.
С точки зрения строительства колодцев и бурения скважин интересны верхние водоносные горизонты. Именно они и участвуют в круговороте воды в природе. Верхние водоносные горизонты пополняются в основном за счёт инфильтрации (просачивания) атмосферных осадков: дождей и талых вод. В их питании участвуют и воды, фильтрующиеся из наземных источников — рек, озёр, болот.
Верхние водоносные горизонты пополняются за счёт инфильтрации атмосферных осадков, вод рек, озёр, болот.
Другой источник пополнения — конденсация влаги из воздуха в трещинах и порах горных пород. Такой способ наиболее характерен для пустынных областей с резкими температурными колебаниями между днём и ночью. По водоупорным пластам подземные воды стекают в поверхностные водные источники (озёра, реки) или в моря и океаны. То есть то ведро воды, которое вы достали из колодца или подняли с помощью насоса из скважины, — малая часть 84 000 км³ подземных вод Земли.
Почвенные, грунтовые, межпластовые и артезианские подземные воды
Человек, планирующий копать колодец или бурить скважину, сталкивается с тем, что разновидностей подземных вод много. Они находятся на разной глубине под землёй, обладают различными свойствами. Кто-то категорически утверждает, что бурить нужно только «на известняк», другие считают, что «на песок» тоже подойдёт. Верховодкой во многих случаях презрительно именуют неглубокие грунтовые воды, и применять их для питья категорически не рекомендуют. Как разобраться, какие бывают водоносные слои, на сколько колец стоит копать колодец и на какую глубину бурить скважину?
Итак, рассмотрим классификацию подземных вод. Стоит иметь в виду, что она, как и любая классификация, условна: чёткой границы между водоносными слоями нет. А толщина или влагоёмкость того или иного слоя зависит от геологии участка.
Почвенные воды
Почвенные воды составляют самый верхний уровень подземных вод: они располагаются в корнеобитаемой зоне почвы — в плодородном пласте, где размещаются корни травянистых растений и поверхностная корневая система деревьев. Запасы почвенной влаги пополняются дождевыми и талыми водами и активно испаряются в атмосферу, то есть её объём очень сильно зависит от процессов испарения и транспирации.
Схема водоносных слоёв
Нижняя часть зоны почвенных вод называется подвешенной (вадозной). Зона подвешенной воды насыщается и вода начинает под действием сил тяготения просачиваться в нижние слои грунта. Эта вода называется гравитационной. Если осадков было много, например, в дождливый осенний сезон или по весне при активном таянии снега, движение гравитационных вод усиливается. Почвенные воды имеют большое значение в жизни растений, но для нужд водоснабжения человека не используются.
Грунтовые воды
Водопроницаемые породы, находящиеся под плодородным слоем почвы, образуют первый постоянно существующий водоносный горизонт. Как правило, первый водоносный горизонт составляют несцементированные отложения. Вода в этом слое заполняет поры между частицами породы: это и есть тот уровень, который на профессиональном сленге бурильщиков называется «на песок».
Его насыщаемость влагой довольно сильно зависит от количества атмосферных осадков и температурных колебаний — в малодождливые годы уровень грунтовых вод может сильно понижаться. Кроме того, грунтовые воды могут загрязняться. Именно поэтому в санитарных требованиях по устройству туалетов с выгребными ямами запрещено делать негерметичные ёмкости для нечистот: в яме без дна загрязнения попадают непосредственно в первый водоносный горизонт.
Выгребная яма должна быть герметичной
Грунтовые воды, благодаря своему относительно неглубокому залеганию, легко доступны и широко используются для нужд водоснабжения частных домов, посёлков и небольших предприятий. Хотя, как уже говорилось выше, на интернет-ресурсах, где обсуждаются вопросы добычи воды, часто грунтовые воды называют верховодкой, не предназначенной для использования в качестве питьевой воды.
Добыча грунтовых вод производится с помощью колодцев и небольших скважин. Эти воды безнапорные: уровень в колодце устанавливается на уровне зеркала грунтовых вод.
Межпластовые воды
Ниже грунтовых вод, отделённые от них пластами водонепроницаемых или слабо проницаемых горных пород, составляющих водоупорный слой, располагается следующий слой водопроницаемых пород, образующий второй водоносный горизонт. Он слагается из более плотных пород, в которых вода заливается в трещины, образуя заполненные полости. Питание второго водяного горизонта осуществляется просачиванием (инфильтрацией) грунтовых вод через пласты со слабой проникающей способностью. Также это происходит в местах, где водовмещающие слои межпластовых вод выходят ближе к поверхности, в разрывах водоупорного слоя верхнего водяного горизонта.
Их уровень гораздо меньше подвержен колебаниям от воздействия атмосферных осадков или температур на поверхности земли. Глубокое залегание предохраняет межпластовые воды от загрязнений. Подземные воды, расположенные на большой глубине, под водоупорами, уже могут иметь гидростатическое давление. В этом случае они называются напорными. Межпластовые воды относятся к возобновимым полезным ископаемым, а значит, к государственной собственности (Закон РФ «О недрах»).
Выброс термальной воды и пара из скважины на Мутновской ГеоТЭС. Камчатка
Кроме хозяйственно-бытовых целей и технического водоснабжения (для промышленности, орошения земель, обводнения пастбищ), подземные воды используются в лечебных целях (минеральные воды), в энергетической отрасли (геотермальные воды) и в промышленности — для извлечения растворённых в них ценных веществ.
Артезианские воды
Артезианские воды — это разновидность межпластовых подземных вод. Их отличие в том, что они полностью заполняют водоносный горизонт и находятся в нём под давлением. Напорные воды обычно залегают в пределах геологических структур, имеющих вогнутое строение — в мульдах, флексурах, образуя артезианские бассейны.
Схема артезианского бассейна
При вскрытии такого водоносного горизонта уровень воды в скважине поднимается выше уровня зеркала грунтовых вод, иногда свободно изливаясь из скважины фонтаном. Артезианские воды, как правило, расположены на большой глубине — от 100 до 1000 метров. В некоторых интернет-источниках артезианскими называют все скважины, имеющие большую глубину, что не совсем правильно. Первоначально артезианскими называли именно фонтанирующие скважины, сейчас термин «артезианские» относят ко всем напорным водам.
Артезианская фонтанирующая скважина
Для водоснабжения обычно используют два верхних водоносных горизонта. Вода, находящаяся на больших глубинах, чаще всего имеет повышенную минерализацию, да и добыча её спряжена с большими финансовыми расходами.
Верховодка
И, наконец, о верховодке. Специалисты и интересующиеся вопросом добычи подземных вод не рекомендуют использовать верховодку в качестве источника питьевой воды. И правильно делают, потому что верховодка не является постоянным водоносным горизонтом. Она появляется сезонно, во время весеннего таяния снега или в период продолжительных осенних дождей.
Верховодка характерна для глинистых и суглинистых почв. Появление её связано с накоплением воды над слабопроницаемыми для воды грунтами: глинистые почвы набухают от обильной влаги и перестают пропускать воду атмосферных осадков в лежащие ниже слои грунта.
Яма, наполненная «верховодкой»
На поверхности земли образуются скопления воды в естественных углублениях, вода появляется и ниже — в метре — полутора от поверхности. В песчаных грунтах верховодка более редка и образуется локально, на временных водоупорах — прослойках глины в основном песчаном грунте.
Использовать верхние воды для нужд водоснабжения загородного дома не стоит: они имеют ярко выраженный сезонный характер, количество их недостаточно. А самое главное — такие воды загрязнены. В силу своего неглубокого местоположения они ещё не успели очиститься, проходя через естественный фильтр — толщу земли. Верховодку можно использовать для полива, искусственно углубив природные понижения, где она скапливается по весне, как, например, на фото выше.
Верховодку можно спутать с высоко стоящим уровнем грунтовых вод. Первый водоносный горизонт может начинаться довольно неглубоко от поверхности земли: в северных регионах — от 50 см (в районе тундр). С перемещением на юг глубина расположения водоносного пласта увеличивается: от 3-5 метров в средней полосе до 15-20 в южных районах. В сельской местности, вдалеке от автострад и промзон, очень часто питьевые колодцы имеют небольшую глубину. Так, к примеру, в нашей деревне общественный колодец всего на три кольца.
Общественная водоразборная колонка
Вот и всё о том, какие бывают водоносные горизонты. А информацию, что лучше для дачного участка — колодец или скважина, на какую глубину следует копать или бурить, как определить уровень грунтовых вод, а так же о правовом аспекте добычи подземной воды читайте в других материалах.
