Підземні води

1. Гіпотези походження води на Землі

Існує декілька теорій походження води на Землі. Переважаюча більшість вчених переконана, що походження води тісно пов’язане з походження самої Землі.

Згідно з однією з гіпотез вода у вигляді молекул Н2О знаходилася у початковому матеріалі первинної газопилуватої хмари, а потім і в атмосфері. Ця первинна щільна атмосфера сконденсувалася і дала життя Океану. За іншою версією, вода утворилася з первинних атомів гідрогену і оксисену після утворення протопланет з газопилуватої хмари. За сприятливих умов із них утворювалися молекули водню та кисню, а потім і молекули води. Разом з газами вона виходила на поверхню за аналогією виверження вулкану.

Згідно з біохімічною гіпотезою вода утворилася вже після виникнення Землі як планети. Під інтенсивним впливом космічного та сонячного випромінювання з неживої матерії утворилася органічна. Більша частина води в подальшому була ув’язнена в гірських породах та в речовині мантії.

Гіпотеза позаземного походження води стверджує, що під час диференціації речовини протохмари ближче до Сонця утворилися важкі планети – Меркурій, Марс, Венера, Земля – із щільністю менше 1г/см3. між цими двома групами планет могла утворитися планета (гіпотетично – Фаетон), густина якої була близькою до одиниці, тобто складалася здебільшого з води. Дуже швидко ця планета зруйнувалася під впливом гравітації Марса і Юпітера, а її уламки впали на близькі планети – Юпітер, Марс та Землю.

Якась частина запасів земної води могла утворитися під час проникнення в атмосферу вуглецевих метеоритів. При цьому утворилися СО і СО2, які за температури вище 1000со з’єднувалися з Н і утворювали Н2О.

За гіпотезою Оарта багато води надходило і надходить на Землю з кометами, ядра яких складаються переважно з льоду.

Аналізуючи всі гіпотези, можна прийти висновку, що основна маса води на планеті земного походження. Вода входить до складу майже всіх гірських порід. Вона утворювалася в ході геологічної еволюції Землі і виникає тепер.

2. Фізичні властивості підземних вод, їх характеристика

Підземні води є розчинами, що містять солі, іони, колоїди і гази. До основних фізичних властивостей, які аналізують при дослідженні підземних вод, відносять: колір, запах, смак та присмак, прозорість, температуру, щільність, стискуваність, в'язкість, радіоактивність, електропровідність.

Колір підземних вод залежить від їх хімічного складу і механічних домішок. В основному підземні води безколірні. Жорсткі води мають блакитнуватий відтінок. Жовтуватий колір характерний для вод болотного походження, що містять гумінові речовини. Сірководневі води в наслідок окиснення сірководню і утворення тонкої колоїдної «муті», складеної з частинок сірки, мають зеленуватий відтінок. Колір води оцінюється за стандартною платино-кобальтовою шкалою в градусах.

Запах в підземних водах в основному відсутній. Відчуття запаху свідчить або про наявність газів біохімічного походження (сірководень та ін.) або про присутність гниючих органічних речовин. Характер запаху виражають описово: без запаху, сірководневий, болотний, пліснявий та ін. Інтенсивність запаху оцінюють по десятибальній шкалі.

Смак та присмак води залежить від складу розчинених речовин, солоний смак зумовлений хлористим натрієм, гіркий – сульфатом магнію, іржавий – солями заліза. Солодкуватий смак мають води багаті органічними речовинами. Наявність вільної вуглекислоти придає воді приємного освіжаючого смаку. Смак води оцінюється за таблицями в балах і визначається у воді нагрітій до 20со.

Прозорість підземних вод залежить від кількості розчинених в ній мінеральних речовин, вмісту механічних домішок, органічних речовин і колоїдів. Для вказання ступеня прозорості служить наступна номенклатура: прозора, слабоопалесціююча, опалесціююча, злегка каламутна, сильно каламутна. Каламутність оцінюють в міліграмах сухої речовини на літр води.

Температура підземних вод залежить від геотермальних особливостей району. Вона відображає вікові, тектонічні, літологічні і гідродинамічні особливості водних горизонтів. Температура води впливає на її хімічний склад, в'язкість та коефіцієнт фільтрації. В природних умовах підземні води можуть бути переохолоджені (нижче 0 °C, поширені в районах багаторічної мерзлоти), холодні (нижче 20 °C, приурочені до верхньої зони земної кори, до поясу постійних річних температур в середніх широтах), термальні (які мають температуру 20–100 °С, виявлені буровими свердловинами на різних глибинах), перегріті (температурою 100–375 °С, зустрічаються в районах сучасної вулканічної діяльності).

Щільність води визначають співвідношенням її маси до об'єму при певній температурі. За одиницю щільності прийнято щільність дистильованої води при температурі 4 °C. Показник щільності залежить від температури, кількості розчинених солей, газів і завислих часток, і змінюється від 1 до 1,4 г/смі.

Стискуваність це характеристика, яка показує зміну об'єму рідини під дією тиску. Для води стискуваність незначна і характеризується коофіцієнтом стиснення β=(2,7–5)Ч10–5 Па.

В'язкість води характеризує внутрішній опір частинок рідини її руху, і кількісно виражається коофіцієнтами динамічної і кінематичної в'язкості. Б.А. Дерягін вивів існування аномалії води в тонких капілярах діаметром менше 0,001 мм. В ній на всьому інтервалі температур коофіцієнт тертя (залежить від в'язкості) залишається постійним, а щільність на 40% більша звичайної.

Радіоактивність підземних вод визначають вмістом в ній радону, еманації радію. За рідкісними винятками усі підземні води в тій чи іншій мірі радіоактивні. За кількістю еманації радію Е.С. Бурксер виділяє наступні типи вод: дуже сильно радіоактивні (радіоактивність більше 10000 еманів); сильно радіоактивні (1000–10000 еман); радіоактивні (100–1000 еман); слабо радіоактивні (10–100) дуже малорадіоактивні (менше 10 еман). 1 еман=1·10-10кюрі/дм3.

Електропровідність залежить від кількості солей, розчинених у підземних водах. Прісні води мають незначну електропровідність, дистильовані – своєрідні ізолятори. Електропровідність води оцінюють за питомим електричним опором, вона змінюється від 0,02 до 1,0 ОмЧм.

3. Розрахунок витрати нерівномірного потоку підземних вод у двошаровому пласті

Нерівномірна фільтрація спостерігається, якщо по мірі руху підземних вод змінюється швидкість фільтрації та витрата потоку. Витрата потоку може змінюватися внаслідок живлення шляхом інфільтрації атмосферних опадів (у ґрунтових водоносних горизонтах), або перетікання з інших горизонтів. У вертикальному розрізі нерівномірного потоку за течією поверхня води має вигляд кривої лінії – кривої дисперсії.

Для умов напірної нерівномірної фільтрації витрата потоку визначається, виходячи зі зміни напірного градієнта, який можна виразити:

Підставивши градієнт у формулу одиничної витрати потоку отримуємо:

Поділивши перемінні, отримуємо:

Проінтегруємо вираз в межах перетинів І і ІІ:

Знаючи одиничну витрату, можна визначити загальну витрату потоку шириною b за формулою: