Водоносный горизонт - Aquifer

Схема водоносного горизонта с указанием замкнутых зон, времени прохождения грунтовых вод , источника и колодца .

Водоносный подземный пласт воды водоносного проницаемой породы , скальные трещины или рыхлых материалов ( гравий , песок или ила ).

Подземные воды из водоносных горизонтов могут быть извлечены из водозаборной скважины . Изучение потока воды в водоносных горизонтах и ​​характеристики 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 на которую может создать замкнутый водоносный горизонт.

Водоносные горизонты можно классифицировать следующим образом: насыщенные и ненасыщенные; водоносные горизонты против водоёмов; замкнутый против неограниченного; изотропный против анизотропного; пористые, карстовые или трещиноватые; трансграничный водоносный горизонт. Проблемы, связанные с использованием подземных вод из водоносных горизонтов, включают: проседание, вторжение соленой воды , засоление и загрязнение грунтовых вод .

Глубина

Разрез водоносного горизонта. Эта диаграмма показывает две водоносные слои с одной водоупора (ограничивающего или непроницаемым слоем) между ними, в окружении коренных пород водоупора , который находится в контакте с увеличиваясь потока (типичного в влажных районах). Также показаны уровень грунтовых вод и ненасыщенная зона .

Водоносные горизонты простираются от поверхности до глубины более 9 000 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. Хотя водоносные горизонты иногда называют «подземными реками или озерами», на самом деле они представляют собой пористую породу, насыщенную водой.

Во многих пустынных районах есть известняковые холмы или горы внутри или рядом с ними, которые можно использовать в качестве ресурсов подземных вод. Часть Атласских гор в Северной Африке, Ливан и Антиливанские хребты 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 полезных ископаемых. воды. Чрезмерная эксплуатация может привести к превышению практического устойчивого урожая; т.е. забирается больше воды, чем может быть пополнено.

Вдоль побережья некоторых стран, таких как Ливия и Израиль, увеличение водопотребления, связанное с ростом населения, привело к снижению уровня грунтовых вод и последующему загрязнению грунтовых вод морской водой .

В 2013 году крупные пресноводные водоносные горизонты были обнаружены под континентальными шельфами у берегов Австралии, Китая, Северной Америки и Южной Африки. По оценкам, они содержат около полумиллиона 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 тех пор, пока не закончился ледниковый период 20 000 лет назад. По оценкам, этот объем в 100 раз превышает объем воды, добытой из других водоносных горизонтов с 1900 года.

Классификация

Водоупор зона внутри Земли , которое ограничивает поток подземных вод из водоносного горизонта одного к другому. Иногда водоупор, если он полностью непроницаем, может называться водоупором или водоупором . Аквитарды состоят из слоев глины или непористой породы с низкой гидравлической проводимостью .

Насыщенные и ненасыщенные

Подземные воды в некоторой степени можно найти почти в каждой точке неглубоких недр Земли, хотя водоносные горизонты не обязательно содержат пресную воду . Земную кору можно разделить на две области: насыщенную зону или фреатическую зону (например, водоносные горизонты, водоемы и т. Д.), Где все доступные пространства заполнены водой, и ненасыщенную зону (также называемую зоной вадозы ), где есть по-прежнему остаются воздушные карманы, в которых есть немного воды, но их можно заполнить большим количеством воды.

Насыщенный означает, что напор воды выше атмосферного (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 силами поверхностного сцепления и поднимается над уровнем грунтовых вод ( изобара нулевого манометрического давления ) за счет капиллярного действия, насыщая небольшую зону над фреатической поверхностью ( капиллярная кайма ) при меньших затратах. чем атмосферное давление. Это называется насыщением при растяжении и отличается от насыщения 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 трубке малого диаметра 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 и водоемы

Водоносные горизонты обычно представляют собой насыщенные участки недр, которые производят экономически целесообразное количество воды для колодца или источника (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 водоупор называется водоупором или водоупором . Аквитарды содержат слои глины или непористой породы с низкой гидравлической проводимостью .

В горных районах (или около рек в горных районах) основные водоносные горизонты обычно представляют собой рыхлый аллювий , состоящий в основном из горизонтальных слоев материалов, отложенных водными процессами (реки и ручьи), которые в поперечном разрезе (если смотреть на двухмерный 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 склоны или реки), тогда как мелкозернистый материал удаляет его от источника (к более пологим частям бассейна или к берегу. области - иногда называемые областью давления). Поскольку около источника находятся менее мелкозернистые отложения, это место, где водоносные горизонты часто не ограничены (иногда называемые областью переднего залива) или находятся в гидравлическом сообщении с земной поверхностью.

Замкнутый против неограниченного

В спектре типов водоносных горизонтов есть два конечных элемента; замкнутый и неограниченный (с полузамкнутым между ними). Неограниченные водоносные горизонты иногда также называют водоносными горизонтами грунтовых вод или фреатическими водоносными горизонтами, потому что их верхняя граница - это уровень грунтовых вод или поверхность грунтовых вод . (См. Бискейнский водоносный горизонт .) Обычно (но не всегда) самый мелкий водоносный горизонт в данном месте является неограниченным, то есть у него нет ограничивающего слоя (водоупора или водоупора) между ним и поверхностью. Термин «расположенные на высоте» 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 регионально протяженный водоносный горизонт. Разница между возвышающимися и неограниченными водоносными горизонтами заключается в их размере (взгроможденные - меньше). Замкнутые водоносные горизонты - это водоносные горизонты, перекрытые ограничивающим слоем, часто состоящим из глины. Ограничивающий слой может обеспечить некоторую защиту от поверхностного загрязнения.

Если различие между замкнутыми и неограниченными нечеткими геологически (т. Е. Если неизвестно, существует ли четкий ограничивающий слой или если геология более сложная, например, водоносный горизонт с трещиноватыми коренными породами), значение накопительной способности возвращается из водоносного горизонта. тест может быть использован для определения его (хотя водоносный горизонт испытание в неограниченных водоносных горизонтах должно интерпретироваться иначе , чем те , стесненными). Замкнутые водоносные имеет очень низкое storativity значения (намного меньше , чем 0,01, и лишь 10 ^{- 5} ), что означает , что водоносный горизонт хранение воды с использованием механизмов водоносного разложения матрицы и сжимаемости воды, которые , как правило , оба весьма небольшие количества . Неограниченные водоносные горизонты имеют запасы (обычно называемую удельной продуктивностью ) более 0,01 (1% от общего объема); они высвобождают воду из хранилища посредством механизма фактического осушения пор водоносного горизонта, высвобождая относительно большие количества воды (вплоть до дренируемой пористости материала водоносного горизонта или минимального объемного содержания воды ).

Изотропный против анизотропного

В изотропных водоносных горизонтах или слоях водоносных горизонтов гидравлическая проводимость (K) одинакова для потока во всех направлениях, тогда как в анизотропных условиях она различается, особенно в горизонтальном (Kh) и вертикальном (Kv) смысле.

Полузамкнутые водоносные горизонты с одним или несколькими водоупорами работают как анизотропная система, даже когда отдельные слои изотропны, потому что составные значения Kh и Kv различны (см. Гидравлическую проницаемость и гидравлическое сопротивление ).

При расчете потока в дренаж или в скважины в водоносном горизонте необходимо учитывать анизотропию, чтобы не допустить ошибки в конструкции дренажной системы.

Пористый, карстовый или трещиноватый

Чтобы правильно управлять водоносным горизонтом, необходимо понимать его свойства. Необходимо знать многие свойства, чтобы предсказать, как водоносный горизонт отреагирует на осадки, 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 могут использоваться для проверки того, насколько точно понимание свойств водоносного горизонта соответствует фактическим характеристикам водоносного горизонта. Экологические нормы требуют участков с потенциальными источниками загрязнения , чтобы продемонстрировать , что гидрология была характерно .

Пористый

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 важными препятствиями для потока грунтовых вод. Все эти факторы влияют на пористость и проницаемость песчаных водоносных горизонтов.

Песчаные отложения, сформированные на мелководье в морской среде и в песчаных дюнах, переносимых ветром, 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 подземных вод можно определить по потенциометрическим поверхностным картам уровней воды в колодцах и родниках. Испытания водоносных горизонтов и скважин можно использовать с уравнениями потока по закону 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 воды и как будет распространяться загрязнение. В пористых водоносных горизонтах грунтовые воды протекают как медленное просачивание в порах между песчинками. Скорость потока грунтовых вод в 1 фут в день (0,3 м / сут) считается высоким показателем для пористых водоносных горизонтов, что иллюстрируется водой, медленно просачивающейся из песчаника на прилагаемом изображении слева.

Пористость важна, но сама по себе она не определяет способность породы действовать как водоносный горизонт. Районы Деканских траппов ( базальтовой лавы) на западе центральной части Индии являются хорошими примерами скальных образований с высокой пористостью, но низкой проницаемостью, что делает их плохими водоносными горизонтами. Точно так же микропористая (верхний мел ) меловая группа на юго-востоке Англии, хотя и имеет достаточно высокую пористость, имеет низкую проницаемость между зернами и хорошими водоотдачными характеристиками, в основном из-за микротрещин и трещин.

Карст

Вода в карстовых водоносных горизонтах течет по открытым каналам, по которым вода течет подземными потоками.

Карстовые водоносные горизонты обычно образуются из известняка . Поверхностная вода, содержащая природную углекислоту, спускается в небольшие трещины в известняке. Эта углекислота постепенно растворяет известняк, увеличивая 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.

Определение характеристик карстовых водоносных горизонтов требует полевых исследований для обнаружения воронок, водостоков , тонущих водотоков и источников 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.

Линейное выравнивание поверхностных элементов, таких как прямые участки ручья и воронки, развиваются вдоль следов трещин . 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 проседание 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 подземных вод от 0,5 до 7 миль в день (от 0,8 до 11,3 км / д). Быстрый поток грунтовых вод делает карстовые водоносные горизонты гораздо более чувствительными к загрязнению грунтовых вод, чем пористые водоносные горизонты.

В крайнем случае подземные воды могут существовать в подземных реках (например, в пещерах, лежащих в основе карстового рельефа .

Перелом

Если горная порода с низкой пористостью сильно трещиноватая, она также может образовывать хороший водоносный горизонт (через трещинный поток), при условии, что порода имеет гидравлическую проводимость, достаточную для облегчения движения воды.

Трансграничный водоносный горизонт

Карта основных водоносных горизонтов США по типу горных пород

Когда водоносный горизонт выходит за международные границы, 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:

• социальные (население);
• экономические (продуктивность грунтовых вод);
• политический (как трансграничный);
• доступные исследования или данные;
• качество и количество воды;
• другие вопросы, регулирующие повестку дня (безопасность, торговля, иммиграция и т. д.).

Обсуждение меняется от 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 трансграничной природы водоносного горизонта и его многомерных границ.

Человеческое использование подземных вод

Проблемы использования водоносных горизонтов

Проседание

В рыхлых водоносных горизонтах грунтовые воды образуются из порового пространства 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.

Вторжение соленой воды

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 (т.е. песчаных) водоносных горизонтов вблизи побережья толщина пресной воды на поверхности соленой воды составляет около 12 метров (40 футов) на каждые 0,3 м (1 фут) напора пресной воды над уровнем 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 источников питьевой пресной воды. Многие прибрежные водоносные горизонты, такие как водоносный горизонт Бискейн недалеко от Майами и водоносный горизонт прибрежной равнины Нью-Джерси, имеют проблемы с проникновением соленой воды в результате перекачки и повышения уровня моря.

Засоление

Схема водного баланса водоносного горизонта

Водоносные горизонты на поверхностных орошаемых территориях в полузасушливых зонах с повторным использованием неизбежных потерь оросительной воды, просачивающейся в землю при дополнительном орошении из колодцев, подвержены риску засоления .

Вода для поверхностного орошения обычно содержит соли в порядке 0,5 г / л или более, а ежегодная потребность в поливе составляет порядка10000 м ³ / га или более, поэтому ежегодный импорт соли составляет порядка5000 кг / га и более.

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

Для контроля солености в таком случае ежегодно некоторое количество дренажной воды должно сбрасываться из водоносного горизонта с помощью подземной дренажной системы и сбрасываться через безопасный слив . 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 грунтовых вод с компонентом агро- гидросолености , например SahysMod .

Глубина, засуха и перекачивание

Исследование 2021 года показало, что из ~ 39 миллионов исследованных скважин с подземными водами 6-20% подвержены высокому риску высыхания, если уровень местных подземных вод снизится на несколько метров или - как во многих районах и, возможно, более чем в половине основных водоносных горизонтов - продолжит свое высыхание. отклонить.

По стране или континенту

Техасская слепая саламандра найдена в водоносном горизонте Эдвардса

Африке

Истощение водоносного горизонта является проблемой в некоторых районах, особенно в северной Африке , например, в рамках проекта Великой рукотворной реки 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.

Австралия

Большой Артезианский бассейн , расположенный в Австралии , возможно , является крупнейшим подземных водоносных горизонтов в мире (более 1,7 миллиона километров ² или 0,66 млн кв миль). Он играет большую роль в водоснабжении Квинсленда и некоторых отдаленных частей Южной Австралии.

Канада

Прерывистые песчаные тела в основании формации Мак-Мюррей в районе нефтеносных песков Атабаски на северо-востоке Альберты , Канада, обычно называют водоносными горизонтами базальных водных песков (BWS) . Насыщенные водой, они заключены под непроницаемыми битумно- насыщенными песками, которые используются для извлечения битума для производства синтетической сырой нефти. Там, где они залегают глубоко и подпитка происходит из нижележащих девонских образований, они соленые, а там, где они мелкие и подпитываются поверхностными водами, они незасоленные. BWS обычно создают проблемы для извлечения битума открытым способом или методами на месте, такими как паровой гравитационный дренаж (SAGD), а в некоторых районах они являются объектами закачки сточных вод.

Южная Америка

Водоносный горизонт Гуарани , расположенный под поверхность Аргентины , Бразилия , Парагвай и Уругвай , является одним из крупнейших в мире систем водоносных горизонтов и является важным источником пресной воды . Названный в честь народа гуарани , он покрывает 1200000 км ² (460000 квадратных миль), с объемом около 40000 км ³ (9600 кубических миль), толщиной от 50 до 800 м (160 и 2620 футов) и максимальной глубиной около 1800 м (5900 футов).

Соединенные Штаты

Огаллали водоносный в центральной части Соединенных Штатов является одним из величайших в мире водоносных горизонтов, но и в местах в настоящее время быстро истощаются рост муниципального использования и продолжения сельскохозяйственного использования. Этот огромный водоносный горизонт, который лежит в основе восьми штатов, содержит в основном ископаемую воду со времен последнего оледенения . Ежегодная подпитка в более засушливых частях водоносного горизонта оценивается примерно в 10 процентов от годового водозабора. Согласно отчету Геологической службы США (USGS) за 2013 год , истощение в период с 2001 по 2008 год включительно составляет около 32 процентов совокупного истощения за весь 20-й век ».

В Соединенных Штатах основными 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 продолжалось почти с постоянной линейной скоростью до конца века. Помимо широко признанных экологических последствий, истощение подземных вод также отрицательно сказывается на долгосрочной устойчивости запасов подземных вод. чтобы помочь удовлетворить потребности страны в воде ".

Примером значительного и устойчивого карбонатного водоносного горизонта является водоносный горизонт Эдвардса в центральном Техасе . Этот карбонатный водоносный горизонт исторически обеспечивал водой высокого качества почти 2 миллиона человек, и даже сегодня он полон из-за огромной подпитки из ряда местных ручьев, рек и озер . Основным риском для этого ресурса является человеческое развитие в районах пополнения запасов.

Смотрите также

• Хранение и восстановление водоносного горизонта
• Свойства водоносного горизонта
• Артезианский водоносный горизонт  - замкнутый водоносный горизонт, содержащий подземные воды под положительным давлением.
• Цистерна  - водонепроницаемая емкость для хранения жидкостей, обычно воды.
• Гидравлическая томография
• Чрезмерная эксплуатация  - истощение возобновляемых ресурсов
• Порода (геология)  - природный минеральный агрегат.
• Сезонное хранение тепловой энергии  - хранение тепла или холода на период до нескольких месяцев - водоносные горизонты могут использоваться для хранения тепла между разными сезонами и для экологически чистого отопления / охлаждения теплиц, зданий и районных систем.
• Источник (гидрология)  - точка, в которой вода выходит из водоносного горизонта на поверхность.
• Поверхностный водоносный горизонт
• Гидрология водосбора

использованная литература

внешние ссылки

• Международный центр оценки ресурсов подземных вод МЦОРПВ
• Проект по подземным водам - онлайн-платформа для изучения подземных вод