Водоносный горизонт — это подземный слой водоносного материала, состоящий из проницаемой или трещиноватой породы или из неконсолидированных материалов ( гравий , песок или ил ). Водоносные горизонты сильно различаются по своим характеристикам. Изучение потока воды в водоносных горизонтах и характеристика водоносных горизонтов называется гидрогеологией . Связанные термины включают водоупор , который представляет собой слой с низкой проницаемостью вдоль водоносного горизонта, и водоупор (или водоносный слой ), который представляет собой твердую, непроницаемую область, лежащую под или над водоносным горизонтом, давление которой может привести к образованию ограниченного водоносного горизонта. Классификация водоносных горизонтов выглядит следующим образом: насыщенные против ненасыщенных; водоносные горизонты против водоупоров; ограниченные против неограниченных; изотропные против анизотропных; пористые, карстовые или трещиноватые; трансграничный водоносный горизонт.
Подземные воды из водоносных горизонтов могут устойчиво добываться людьми с помощью кяризов , ведущих к скважине. [1] Эти подземные воды являются основным источником пресной воды для многих регионов, однако могут представлять ряд проблем, таких как чрезмерный отбор (извлечение подземных вод сверх равновесного дебита водоносного горизонта), просадка земли, связанная с подземными водами, а также засоление или загрязнение подземных вод.
Водоносные горизонты встречаются от близповерхностных до глубин более 9000 метров (30000 футов). [2] Те, что ближе к поверхности, не только с большей вероятностью используются для водоснабжения и орошения, но и с большей вероятностью пополняются местными осадками. Хотя водоносные горизонты иногда характеризуются как «подземные реки или озера», на самом деле они представляют собой пористые породы, насыщенные водой. [3]
Во многих пустынных районах есть известняковые холмы или горы внутри них или рядом с ними, которые могут эксплуатироваться как ресурсы грунтовых вод. [4] Часть Атласских гор в Северной Африке, Ливанские и Антиливанский хребты между Сирией и Ливаном, Джебель-Ахдар в Омане, части Сьерра-Невады и соседние хребты на юго-западе США имеют неглубокие водоносные горизонты, которые эксплуатируются для получения воды. Чрезмерная эксплуатация может привести к превышению практического устойчивого выхода; т. е. больше воды забирается, чем может быть восполнено.
Вдоль береговых линий некоторых стран, таких как Ливия и Израиль, возросшее потребление воды, связанное с ростом населения, привело к снижению уровня грунтовых вод и последующему загрязнению грунтовых вод соленой морской водой.
В 2013 году под континентальными шельфами Австралии, Китая, Северной Америки и Южной Африки были обнаружены крупные пресноводные водоносные горизонты. Они содержат примерно полмиллиона кубических километров воды «низкой солености», которую можно было бы экономически перерабатывать в питьевую воду . Запасы образовались, когда уровень океана был ниже, и дождевая вода проникала в землю на территориях, которые не были затоплены до окончания ледникового периода 20 000 лет назад. По оценкам, объем в 100 раз превышает объем воды, извлеченной из других водоносных горизонтов с 1900 года. [5] [6]
Водоупор — это зона внутри Земли, которая ограничивает поток грунтовых вод из одного водоносного слоя в другой. Водоупор иногда может, если он полностью непроницаем, называться водоупором или водоупором . Водоупоры состоят из слоев глины или непористой породы с низкой гидравлической проводимостью .
Подземные воды можно найти почти в каждой точке неглубоких недр Земли в той или иной степени, хотя водоносные горизонты не обязательно содержат пресную воду . Земную кору можно разделить на две области: насыщенную зону или фреатическую зону (например, водоносные горизонты, водоупоры и т. д.), где все доступные пространства заполнены водой, и ненасыщенную зону (также называемую зоной аэрации ), где все еще есть карманы воздуха, которые содержат некоторое количество воды, но могут быть заполнены большим количеством воды.
Насыщенный означает, что напор воды больше атмосферного давления (манометрическое давление > 0). Определение уровня грунтовых вод — это поверхность, где напор равен атмосферному давлению (манометрическое давление = 0).
Ненасыщенные условия возникают над уровнем грунтовых вод, где напор отрицательный (абсолютное давление никогда не может быть отрицательным, но манометрическое давление может), и вода, которая не полностью заполняет поры водоносного материала, находится под всасыванием . Содержание воды в ненасыщенной зоне удерживается на месте поверхностными адгезионными силами и поднимается над уровнем грунтовых вод ( изобара нулевого манометрического давления ) капиллярным действием, чтобы насытить небольшую зону над поверхностью грунтовых вод ( капиллярная кайма ) при давлении ниже атмосферного. Это называется насыщением при растяжении и не то же самое, что насыщение на основе содержания воды. Содержание воды в капиллярной кайме уменьшается с увеличением расстояния от поверхности грунтовых вод. Капиллярный напор зависит от размера пор почвы. В песчаных почвах с более крупными порами напор будет меньше, чем в глинистых почвах с очень мелкими порами. Нормальный капиллярный подъем в глинистой почве составляет менее 1,8 м (6 футов), но может варьироваться от 0,3 до 10 м (от 1 до 33 футов). [8]
Капиллярный подъем воды в трубке малого диаметра подразумевает тот же физический процесс. Уровень грунтовых вод — это уровень, до которого вода поднимется в трубке большого диаметра (например, скважине), которая опускается в водоносный горизонт и открыта для атмосферы.
Водоносные горизонты, как правило, представляют собой насыщенные участки недр, которые производят экономически целесообразное количество воды для скважины или источника (например, песок и гравий или трещиноватая коренная порода часто являются хорошими материалами для водоносных горизонтов).
Водоупор — это зона внутри Земли, которая ограничивает поток грунтовых вод из одного водоносного слоя в другой. [9] Полностью непроницаемый водоупор называется водоупором или водоупором . Водоупоры содержат слои либо глины, либо непористой породы с низкой гидравлической проводимостью .
В горных районах (или вблизи рек в горных районах) основными водоносными горизонтами обычно являются неконсолидированные аллювиальные отложения , состоящие в основном из горизонтальных слоев материалов, отложенных водными процессами (реками и ручьями), которые в поперечном сечении (рассматривая двумерный срез водоносного горизонта) кажутся слоями чередующихся грубозернистых и тонкозернистых материалов. Грубые материалы, из-за высокой энергии, необходимой для их перемещения, как правило, находятся ближе к источнику (горные фронты или реки), тогда как мелкозернистый материал будет перемещаться дальше от источника (в более плоские части бассейна или прибрежные области — иногда называемые областью давления). Поскольку вблизи источника меньше мелкозернистых отложений, это место, где водоносные горизонты часто не ограничены (иногда называемые областью передового залива) или находятся в гидравлической связи с поверхностью земли.
Неограниченный водоносный горизонт не имеет непроницаемого барьера непосредственно над собой, так что уровень воды может подняться в ответ на пополнение. Неограниченный водоносный горизонт имеет вышележащий непроницаемый барьер, который не позволяет уровню воды в водоносном горизонте подняться выше. Водоносный горизонт в одной и той же геологической единице может быть ограничен в одной области и не ограничен в другой. Неограниченные водоносные горизонты иногда также называют грунтовыми водами или фреатическими водоносными горизонтами, потому что их верхней границей является уровень грунтовых вод или фреатическая поверхность (см. Водоносный горизонт Бискейн ). Обычно (но не всегда) самый неглубокий водоносный горизонт в данном месте является неограниченным, то есть у него нет ограничивающего слоя (водоупора или водоупора) между ним и поверхностью. Термин «расположенный» относится к грунтовым водам, накапливающимся над единицей или пластом с низкой проницаемостью, таким как слой глины. Этот термин обычно используется для обозначения небольшой локальной области грунтовых вод, которая находится на высоте, превышающей регионально обширный водоносный горизонт. Разница между верховодкой и безводными водоносными горизонтами заключается в их размере (верховодка меньше). Замкнутые водоносные горизонты — это водоносные горизонты, которые перекрыты ограничивающим слоем, часто состоящим из глины. Ограничивающий слой может обеспечивать некоторую защиту от поверхностного загрязнения.
Если различие между замкнутым и незамкнутым не является геологически ясным (т. е. если неизвестно, существует ли четкий удерживающий слой, или если геология более сложная, например, трещиноватый коренной водоносный горизонт), значение накопительной способности, возвращенное из испытания водоносного горизонта, может быть использовано для его определения (хотя испытания водоносного горизонта в незамкнутых водоносных горизонтах следует интерпретировать иначе, чем испытания в замкнутых водоносных горизонтах). Замкнутые водоносные горизонты имеют очень низкие значения накопительной способности (намного меньше 0,01 и всего лишь 10−5 ), что означает, что водоносный горизонт хранит воду, используя механизмы расширения матрицы водоносного горизонта и сжимаемости воды, которые обычно являются довольно малыми величинами. Неограниченные водоносные горизонты имеют накопительность (обычно называемую удельным выходом ) более 0,01 (1% от общего объема); они высвобождают воду из хранилища посредством механизма фактического осушения пор водоносного горизонта, высвобождая относительно большие объемы воды (вплоть до дренируемой пористости материала водоносного горизонта или минимального объемного содержания воды ).
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) направлениях.
Полузамкнутые водоносные горизонты с одним или несколькими водоупорами работают как анизотропная система, даже если отдельные слои изотропны, поскольку значения комплексных коэффициентов Kh и Kv различны (см. гидравлическую проницаемость и гидравлическое сопротивление ).
При расчете притока к дренажам [10] или притока к скважинам [11] в водоносном горизонте необходимо учитывать анизотропию, чтобы полученная конструкция дренажной системы не оказалась ошибочной.
Для правильного управления водоносным горизонтом необходимо понимать его свойства. Многие свойства должны быть известны, чтобы предсказать, как водоносный горизонт будет реагировать на осадки, засуху, откачку и загрязнение . Необходимо учитывать, где и сколько воды попадает в грунтовые воды из-за осадков и таяния снегов, как быстро и в каком направлении перемещаются грунтовые воды, и сколько воды покидает землю в виде родников. Компьютерные модели можно использовать для проверки того, насколько точно понимание свойств водоносного горизонта соответствует фактической производительности водоносного горизонта. [12] : 192–193, 233–237 Экологические нормы требуют, чтобы участки с потенциальными источниками загрязнения демонстрировали, что гидрология была охарактеризована . [12] : 3
Пористые водоносные горизонты обычно встречаются в песке и песчанике . Свойства пористых водоносных горизонтов зависят от осадочной среды осадконакопления и более поздней естественной цементации песчаных зерен. Среда, в которой отложилось песчаное тело, контролирует ориентацию песчаных зерен, горизонтальные и вертикальные изменения и распределение сланцевых слоев. Даже тонкие сланцевые слои являются важными барьерами для потока грунтовых вод. Все эти факторы влияют на пористость и проницаемость песчаных водоносных горизонтов. [13] : 413
Песчаные отложения, образованные в мелководной морской среде и в среде продуваемых ветром песчаных дюн, имеют проницаемость от умеренной до высокой, в то время как песчаные отложения, образованные в речной среде, имеют проницаемость от низкой до умеренной. [13] : 418 Осадки и таяние снега попадают в грунтовые воды там, где водоносный горизонт находится вблизи поверхности. Направления потока грунтовых вод можно определить с помощью потенциометрических поверхностных карт уровней воды в скважинах и источниках. Тесты водоносного горизонта и тесты скважин можно использовать с уравнениями потока закона Дарси для определения способности пористого водоносного горизонта транспортировать воду. [12] : 177–184
Анализ такого типа информации по площади дает представление о том, сколько воды можно перекачать без перерасхода и как будет распространяться загрязнение. [12] : 233 В пористых водоносных горизонтах грунтовые воды текут как медленное просачивание в порах между песчинками. Скорость потока грунтовых вод в 1 фут в день (0,3 м/д) считается высокой скоростью для пористых водоносных горизонтов, [14] как показано на изображении слева, где вода медленно просачивается из песчаника.
Пористость важна, но сама по себе она не определяет способность породы выступать в качестве водоносного горизонта. Районы траппов Декана ( базальтовая лава) на западе центральной Индии являются хорошими примерами скальных образований с высокой пористостью, но низкой проницаемостью, что делает их плохими водоносными горизонтами. Аналогично, микропористая (верхнемеловая ) меловая группа юго-восточной Англии, хотя и имеет достаточно высокую пористость, имеет низкую проницаемость от зерна к зерну, с ее хорошими характеристиками водоотдачи в основном из-за микротрещиноватости и трещиноватости.
Карстовые водоносные горизонты обычно развиваются в известняке . Поверхностная вода, содержащая природную углекислоту, движется вниз в небольшие трещины в известняке. Эта углекислота постепенно растворяет известняк, тем самым увеличивая трещины. Увеличенные трещины позволяют большему количеству воды проникать внутрь, что приводит к постепенному увеличению отверстий. Обильные небольшие отверстия хранят большое количество воды. Более крупные отверстия образуют систему каналов, которая дренирует водоносный горизонт к источникам. [15]
Характеристика карстовых водоносных горизонтов требует полевых исследований для обнаружения карстовых воронок, оврагов , тонущих ручьев и источников в дополнение к изучению геологических карт . [16] : 4 Обычные гидрогеологические методы, такие как испытания водоносных горизонтов и потенциометрическое картирование, недостаточны для характеристики сложности карстовых водоносных горизонтов. Эти обычные методы исследования необходимо дополнить следами красителя , измерением сбросов родников и анализом химии воды. [17] Геологическая служба США определила, что обычные модели грунтовых вод, которые предполагают равномерное распределение пористости, неприменимы для карстовых водоносных горизонтов. [18]
Линейное выравнивание поверхностных особенностей, таких как прямые участки потока и карстовые воронки, развивается вдоль следов трещин . Расположение скважины в следе трещины или пересечении следов трещин увеличивает вероятность обнаружения хорошей добычи воды. [19] Пустоты в карстовых водоносных горизонтах могут быть достаточно большими, чтобы вызвать разрушительное обрушение или просадку поверхности земли, что может инициировать катастрофический выброс загрязняющих веществ. [12] : 3–4 Скорость потока грунтовых 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 грунтовых вод от 0,5 до 7 миль в день (от 0,8 до 11,3 км/д). [20] Высокая скорость потока грунтовых вод делает карстовые водоносные горизонты гораздо более чувствительными к загрязнению грунтовых вод, чем пористые водоносные горизонты. [16] : 1
В крайнем случае грунтовые воды могут существовать в подземных реках (например, пещерах, расположенных под карстовым рельефом) .
Если пласт горных пород с низкой пористостью сильно трещиноват, он также может стать хорошим водоносным горизонтом (благодаря трещинному потоку), при условии, что порода имеет достаточную гидравлическую проводимость для облегчения движения воды.
Проблемы использования подземных вод включают: чрезмерный отбор (извлечение подземных вод сверх равновесного дебита водоносного горизонта), просадка земли, связанная с подземными водами, засоление подземных вод, загрязнение подземных вод .
Истощение водоносного горизонта является проблемой в некоторых районах, особенно в Северной Африке , где одним из примеров является проект Великой рукотворной реки в Ливии . Однако новые методы управления подземными водами, такие как искусственное пополнение и закачка поверхностных вод во время сезонных влажных периодов, продлили срок службы многих пресноводных водоносных горизонтов, особенно в Соединенных Штатах.
Большой артезианский бассейн, расположенный в Австралии , возможно, является крупнейшим водоносным горизонтом в мире [22] (более 1,7 млн км 2 или 0,66 млн кв. миль). Он играет большую роль в водоснабжении Квинсленда и некоторых отдаленных районов Южной Австралии.
Прерывистые песчаные тела в основании формации Мак-Мюррей в регионе нефтяных песков Атабаска на северо-востоке провинции Альберта , Канада, обычно называются водоносными горизонтами базальных водных песков (BWS) . [23] Насыщенные водой, они заключены под непроницаемыми битумонасыщенными песками, которые эксплуатируются для извлечения битума для производства синтетической сырой нефти. Там, где они залегают глубоко и подпитка происходит из нижележащих девонских формаций, они соленые, а там, где они неглубокие и подпитываются поверхностными водами , они не соленые. BWS обычно создают проблемы для извлечения битума, будь то открытым способом или методами in situ, такими как гравитационный дренаж с использованием пара (SAGD), и в некоторых районах они являются целями для закачки сточных вод. [24] [25] [26]
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 . [27] Названный в честь народа гуарани , он охватывает 1 200 000 км 2 (460 000 кв. миль), имеет объем около 40 000 км 3 (9 600 куб. миль), толщину от 50 до 800 м (от 160 до 2 620 футов) и максимальную глубину около 1 800 м (5 900 футов).
Водоносный горизонт Огаллала в центральной части США является одним из крупнейших водоносных горизонтов в мире, но местами он быстро истощается из -за растущего муниципального использования и продолжающегося сельскохозяйственного использования. Этот огромный водоносный горизонт, который лежит под частями восьми штатов, содержит в основном ископаемую воду со времен последнего оледенения . Ежегодное пополнение в более засушливых частях водоносного горизонта оценивается в размере всего около 10 процентов годового изъятия. Согласно отчету Геологической службы США (USGS) за 2013 год, истощение между 2001 и 2008 годами включительно составляет около 32 процентов от совокупного истощения за весь 20-й век. [28]
В Соединенных Штатах крупнейшими потребителями воды из водоносных горизонтов являются сельскохозяйственное орошение и добыча нефти и угля. [29] «Совокупное истощение подземных вод в Соединенных Штатах ускорилось в конце 1940-х годов и продолжалось почти с постоянной линейной скоростью до конца столетия. В дополнение к широко признанным экологическим последствиям, истощение подземных вод также отрицательно влияет на долгосрочную устойчивость запасов подземных вод, помогая удовлетворять потребности страны в воде». [28]
Примером значительного и устойчивого карбонатного водоносного горизонта является водоносный горизонт Эдвардса [30] в центральном Техасе . Этот карбонатный водоносный горизонт исторически обеспечивал высококачественной водой почти 2 миллиона человек, и даже сегодня он полон из-за огромного пополнения из ряда местных ручьев, рек и озер . Основной риск для этого ресурса — развитие человека в зонах пополнения.
...более 30 000 футов. Однако в среднем пористость и проницаемость пород уменьшаются по мере увеличения их глубины под поверхностью земли; поры и трещины в породах на больших глубинах закрываются или значительно уменьшаются в размерах из-за веса вышележащих пород.