Грунтовые воды, приуроченные к первому от поверхности земли регионально выдержанному водоносному пласту, залегающие на первом от поверхности водоупоре. Имеют свободную пьезометрическую поверхность, на которой давление равно атмосферному, и характеризуются активной связью с наземной гидросферой и атмосферой.
Под водоупором понимаются слабо водопроницаемые слои горных пород. Чаще всего это горизонты глин. Площадь распространения грунтовых вод называется грунтовым бассейном. Сверху грунтовые воды ограничены естественно сформировавшейся свободной поверхностью и не имеют напора. Свободная поверхность - зеркало грунтовых вод. В разрезе положение верхней границы водоносного горизонта характеризуется линией, которая называется уровнем грунтовых вод. Глубина залегания зеркала зависит от местных метеорологических и геологических условий и изменяется от 0 до 50 м и более. В том случае, когда зеркало грунтовых вод совпадает с дневной поверхностью, наблюдается заболачивание местности. По берегам рек, в пониженных участках местности зачастую наблюдаются источники - ключи, родники. Это явление связано чаще всего с выходом грунтовых вод на поверхность.
Грунтовые воды находятся в постоянном движении. Они перемещаются путём фильтрации через породы от участков с повышенными отметками зеркала грунтовых вод к пониженным участкам, образуя потоки. Потоки могут быть прямолинейными, криволинейными, плоскими, радиально сходящимися и радиально расходящимися.
Гидрогеологическую обстановку того или иного участка принято изображать с помощью гидрогеологических карт, в частности карт гидроизогипс.
Карты гидроизогипс отражают рельеф зеркала грунтовых вод с помощью гидроизогипс, то есть линий равных отметок. Эти линии аналогичны горизонталям рельефа местности. Карты гидроизогипс строятся по данным замеров глубины залегания зеркала грунтовых вод в скважинах (шурфах).
На данном участке (рис.3) пробурено 9 скважин и 4 шурфа. В таблице 2 отражены результаты замеров глубины залегания статического уровня от устья в каждой скважине и абсолютная отметка устья. На основе этих данных определяем абсолютную отметку зеркала грунтовых вод. Далее приступаем к построению карты гидроизогипс. Построение начинаем от любого треугольника, опирающиеся на любые три скважины или шурфы.
Точки с одинаковыми отметками находятся на сторонах треугольника методом интерполяции между отметками зеркала в соседних скважинах. Далее производим построение в рядом расположенных треугольниках, постепенно закрывая всю площадь. Точки с одинаковыми отметками соединяем плавными линиями -гидроизогипсами. Затем выбираем ленту тока для определения расхода потока по Дарси и оцениваем токсичность с помощью анализа гидрохимического состава подземных вод.
На данной схеме гидроизогипс мы видим, что потоки направлены к реке, накопитель формирует водораздел, поэтому фильтрующиеся стоки попадают в водоносный горизонт, а следовательно и в реку.
С помощью карты гидроизогипс решается ряд важных гидрогеологических задач: установление направления потока грунтовых вод, определение величины гидравлического градиента (J), скорости фильтрации (V), расхода единичного потока (q), глубины залегания горизонта грунтовых вод. Карта гидроизогипс необходима для заключения об инженерно-геологических условиях строительства различных видов сооружений (гидротехнических, промышленных, гражданских, дорожных и т.д).
Грунтовые воды - это постоянные во времени и значительные по площади распространения горизонты подземных вод, залегающие на первом от поверхности водоупоре.
Под водоупором понимаются слабо водопроницаемые слои горных пород. Чаще всего это горизонты глин. Площадь распространения грунтовых вод называется грунтовым бассейном. Сверху грунтовые воды ограничены естественно сформировавшейся свободной поверхностью и не имеют напора. Поверхность эта получила название зеркала грунтовых вод. В разрезе положение верхней границы водоносного горизонта характеризуется линией, которая называется уровнем грунтовых вод. Зеркало грунтовых вод есть поверхность раздела зоны аэрации и зоны полного водонасыщения. Оно не является абсолютно плоским, имеет вид волнистой поверхности, повторяющей рельеф местности. Глубина залегания зеркала зависит от местных метеорологических и геологических условий и изменяется от 0 до 50 м и более. В том случае, когда зеркало грунтовых вод совпадает с дневной поверхностью, наблюдается заболачивание местности. По берегам рек, в пониженных участках местности зачастую наблюдаются источники - ключи, родники. Это явление связано чаще всего с выходом грунтовых вод на поверхность.
Грунтовые воды находятся в постоянном движении. Они перемещаются путём фильтрации через породы от участков с повышенными отметками зеркала грунтовых вод к пониженным участкам, образуя потоки. Потоки могут быть прямолинейными, криволинейными, плоскими, радиально сходящимися и радиально расходящимися.
Гидрогеологическую обстановку того или иного участка принято изображать с помощью гидрогеологических карт, в частности карт гидроизогипс.
Карты гидроизогипс отражают рельеф зеркала грунтовых вод с помощью гидроизогипс, то есть линий равных отметок. Эти линии аналогичны горизонталям рельефа местности. Карты гидроизогипс строятся по данным замеров глубины залегания зеркала грунтовых вод в скважинах (шурфах).
На данном участке (рис.3) пробурено скважин 9 и 4 шурфа. В таблице 2 отражены результаты замеров глубины залегания статического уровня от устья в каждой скважине и абсолютная отметка устья. На основе этих данных определяем абсолютную отметку зеркала грунтовых вод. Далее приступаем к построению карты гидроизогипс. Построение начинаем от любого треугольника, опирающиеся на любые три скважины или шурфы.
Точки с одинаковыми отметками находятся на сторонах треугольника методом интерполяции между отметками зеркала в соседних скважинах. Далее производим построение в рядом расположенных треугольниках, постепенно закрывая всю площадь. Точки с одинаковыми отметками соединяем плавными линиями (гидроизогипсами). Затем выбираем ленту тока для определения расхода потока по Дарси и оцениваем токсичность с помощью анализа гидрохимического состава подземных вод.
На данной схеме гидроизогипс мы видим, что потоки направлены к реке, накопитель формирует водораздел, поэтому фильтрующиеся стоки попадают в водоносный горизонт, а следовательно и в реку.
С помощью карты гидроизогипс решается ряд важных гидрогеологических задач: установление направления потока грунтовых вод, определение величины гидравлического градиента (J), скорости фильтрации (V), расхода единичного потока (q), глубины залегания горизонта грунтовых вод. Карта гидроизогипс необходима для заключения об инженерно-геологических условиях строительства различных видов сооружений (гидротехнических, промышленных, гражданских, дорожных и т.д).
1.6 Определение расхода потока для безнапорных вод
Рассчитываем расход для ленты тока, обозначенной на карте гидроизогипс:
Qi =k*F*I
где k = 0,7-7 м/сут для мелкозернистых песков; kср=(0,7+7)/2=3,85 м/сут
В1 = 30 м, B2 = 25 м – ширина потока;
L1 = 40 м, L2 = 55 м – длина, которую прошел поток от одной гидроизогипсы к другой;
𝛥Н1 = 1 м, 𝛥H2 = 1 м, 𝛥H3 = 1 м – гидростатические напоры на расстоянии L.
Находим расход, учитывая масштаб карты 1:10000:
Q1 = 3,85*30*1/40 = 2,90 м3/сут.
Q2 = 3,85*25*1/55 = 1,75 м3/сут.
Испарением на поверхности для расчетов ионного стока пренебрегаем. Тогда можно будет узнать полный сток в реку грунтовых вод по указанному участку карты:
Q = 
Qi = Q1+ Q2 = 2,90 + 1,75 = 4,65 м3/сут.
2 Гидрохимический состав подземных вод
Формирование химического состава подземных вод в естественных природных условиях определяется общими геолого-тектоническими, природными ландшафтно-климатическими и литолого-фациальными условиями. Зона активного водообмена, где подземные воды находятся под непосредственным воздействием природных факторов, в условиях интенсивной циркуляции и дренажа. Основные факторы, определяющие химический состав и минерализацию подземных вод - климат, почвенно-растительный покров и литологический состав водовмещающих пород.
Однако в условиях растущей техногенной нагрузки на окружающую среду и подземные воды подвергаются загрязнению. Техногенные компоненты обнаруживаются уже не только в верхних, слабо защищенных, водоносных горизонтах, но и в глубоких артезианских резервуарах.
Под антропогенным загрязнением подземных вод понимают ухудшение качества воды (химических, физических, биологических свойств). Антропогенное влияние на подземные воды стало особенно ощутимым в текущем столетии в связи с развитием и интенсификацией промышленности и сельского хозяйства, ростом крупных городов и расширением урбанизированных территорий. Оно проявляется в истощении запасов подземных вод и ухудшении их качества. При этом в подземных водах может увеличиться содержание компонентов, характерных для природных подземных вод (хлориды, сульфаты, железо и др.), но могут также появиться компоненты и соединения, связанные исключительно с деятельностью человека - поверхностно-активные вещества, ядохимикаты, синтетическая органика и др.
Понятие "загрязнение" относится, прежде всего, к подземным водам питьевого назначения. Качество воды питьевого назначения должно удовлетворять гигиеническим нормам, предусматривающим безопасность воды в эпидемическом отношении, безвредность химического состава и благоприятные органолептические свойства.
Химическое загрязнение подземных вод связано с поступлением промышленных сточных вод, утечками технологических жидкостей, растворением атмосферными осадками сырья, твердых отходов и продуктов промышленности, загрязнением атмосферного воздуха, неправильным использованием сельскохозяйственных удобрений и ядохимикатов.
Загрязнение подземных вод не является локальным процессом, оно тесно связано с загрязнением окружающей природной среды в целом. Содержащиеся в подземных водах зоны активного водообмена загрязнения в конечном итоге попадают в реки и озера (области разгрузки).
2.1 Методика расчета и анализа
Анализ химического состава подземных вод открывает пути для изучения генезиса, пригодности для различных потребителей, определения уровня их агрессивности для бетонных и металлических конструкций. Результаты химических анализов воды могут быть выражены в весовой, эквивалентной и процент-эквивалентной формах.
Весовая форма — представление ионно-солевого состава воды в миллиграммах (граммах) в 1 дм3 или 1 кг воды.
В зарубежной литературе результаты анализа могут быть приведены в частях на миллион, что соответствует концентрации мг/дм3.
Эквивалентная форма записи состава вод позволяет определить соотношение между ионами с точки зрения их способности участвовать в химических реакциях, оценить качество анализа, установить генезис вод.
В расчетах используется форма записи:
[ мг-экв/дм3] = [(мг/дм3)/Э] = [(мг/дм3)*(1/Э)] = [(мг/дм3)*К],
где Э — химический эквивалент иона;
К = 1/Э — переводный коэффициент.
При выражении содержания какого-либо иона в эквивалентной форме перед символом иона ставится знак r, например rСа2+, rНСОз- и т. д. На основе эквивалентной формы выражения состава можно определить погрешность анализа воды. Эта оценка основана на принципе электронейтральности раствора: сумма концентраций катионов (мг-экв/дм3) равна сумме концентраций анионов.
Анализ воды считается удовлетворительным, если погрешность определения менее 5%.
Процент-эквивалентная форма показывает относительную долю участия того или иного иона в формировании ионно-солевого состава воды.
Для вычисления процентного содержания анионов (катионов) их сумму принимают за сто процентов и рассчитывают процент содержания каждого аниона (катиона) по отношению к их сумме. Процент-эквивалентная форма позволяет устанавливать черты сходства вод, различающихся по минерализации (таблица 4).
Таблица 4 - Химические эквиваленты и переводные коэффициенты наиболее распространенных ионов природных вод
| Ион | Э | К | Ион | Э | К |
| Na+ | 23,0 | 0,0435 | Cl- | 35,5 | 0,0282 |
| К+ | 39,1 | 0,0256 | Br- | 79,6 | 0,0125 |
| NH4+ | 18,0 | 0,0556 | SO42- | 48,0 | 0,0208 |
| Са2+ | 21,0 | 0,0499 | HC03- | 61,0 | 0,0184 |
| Mg2+ | 12,2 | 0,0822 | CO32- | 30,0 | 0,0328 |
| Fe3+ | 18,6 | 0,0537 | N03- | 62,1 | 0,0161 |
| Fe2+ | 27,9 | 0,0358 | I- | 126,9 | 0,0079 |
| Al3+ | 8,99 | 0,1112 | F- | 18,99 | 0,0526 |
| Н+ | 1,0 | 1,0 | HO2- | 46,0 | 0,0217 |
| Мn2+ | 27,47 | 0,0364 | OH- | 17,0 | 0,0588 |
| Zn2+ | 32,68 | 0,0306 | HS- | 33,07 | 0,0302 |
| Cu2+ | 31,77 | 0,0314 | H2B03- | 60,82 | 0,0164 |
| Pb2+ | 103,59 | 0,0096 | H2PO4- | 96,98 | 0,0103 |
| Ni2+ | 29,35 | 0,0340 | H2Si04- | 95,10 | 0,0105 |
| Co2+ | 29,46 | 0,0339 | HSi03- | 77,09 | 0,0129 |
| Fe(OH)2+ | 36,43 | 0,0274 | HPO42- | 47,98 | 0,0208 |
| As3+ | 24,97 | 0,0401 |
Минерализация воды (МH20) — это сумма минеральных веществ в граммах или миллиграммах, содержащихся в 1 дм3 воды. Для определения МН20суммируют содержание всех ионов, определенных химическим анализом и выраженных в весовой форме.
Жесткость воды определяется содержанием в ней солей Сa2+ и Мg2+. Различают: общую, карбонатную, временную (устранимую), некарбонатную, неустранимую (постоянную) жесткость.
Общая жесткость Ж0 определяется как сумма мг-экв ионов Са2+ и Mg2+ в 1 дм3 воды и слагается из карбонатной Жк и некарбонатной Жнк жесткости:
Ж0 = Жк + Жнк; Ж0 = Са+2 + Mg2+.
2.2 Данные для расчета и анализа гидрохимического состава подземных вод
В таблицах 5, 6 и 7 приведены все необходимые данные для расчета и анализа гидрохимического состава подземных вод.
Таблица 5 - Результаты химического анализа природных вод, мг/дм3, макрокомпоненты
| K+ | Na+ | Ca2+ | Mg2+ | HCO3- | S042- | Cl- |
Таблица 6 - Результаты химического анализа природных вод, мг/дм3, микрокомпоненты
| As3+ | Fe | Pb2+ | Zn2+ | Hg | Cu2+ | F- | NO3- | Mn2+ |
| 0,01 | 0,1 | 0,05 | 1,0 | 0,001 | 0,5 | 1,5 | 15,0 | 0,2 |
Таблица 7 - Результаты химического анализа природных вод, другие показатели
| рН | CO2(cв.), мг/дм3 | T,oC |
| 5,7 | 3,2 |
2.3 Гидрохимический анализ природных вод
Результаты гидрохимического анализа приведены в таблице 8.
Таблица 8 - Пересчет гидрохимических анализов воды из весовой в эквивалентную и процент-эквивалентную форму и оценка пригодности воды для питьевых и рыбохозяйственных нужд
| Катион, анион | Содержание иона | ПДК для питьевых нужд (мг/дм3) | ПДК для рыбохозяйственных целей (мг/дм3) | ||
| мг/дм3 | мг-экв/дм3 | %-экв | |||
| 0,5120 | 5,5603 | - | ||
| 1,2615 | 13,6997 | - | ||
| 5,2894 | 57,4423 | - | ||
| 2,0550 | 22,3171 | - | ||
| Fe | 0,1 | 0,0358 | 0,3888 | не более 0,3 | не более 0,05 |
| 0,05 | 0,0005 | 0,0054 | не более 0,03 | 0,01 |
| 1,0 | 0,0306 | 0,3323 | - | 0,05 |
| 0,5 | 0,0157 | 0,1705 | 0,0059 | |
| As3+ | 0,01 | 0,0004 | 0,0043 | не более 0,05 | 0,05 |
| 0,2 | 0,0073 | 0,0793 | не более 0,1 | не более 0,1 |
| Сумма | 181,86 | 9,2082 | 100,0000 | ||
| 2,1528 | 24,3601 | - | - | |
| 4,3056 | 48,7202 | не более 500 | ||
| 2,0586 | 23,2942 | не более 350 | - | |
| 1,5 | 0,0789 | 0,8928 | 0,5 | 0,05 |
| 15,0 | 0,2415 | 2,7327 | - | |
| Сумма | 413,5 | 8,8374 | 100,0000 |
Сумма мг-эквивалентов катионов составила 9,2082 мг-экв/дм3, а мг-эквивалентов анионов -8,8374 мг-экв/дм3.
Вычисляем погрешность анализа по формуле:
Е = ( rk - ra)/( rk + ra) = (9,2082-8,8374)/(9,2082+8,8374) = ±0,0205 = ±2,05%
Анализ воды считается удовлетворительным, т.к. погрешность составляет не более 5%.
Минерализация воды составляет 
= 181,86+413,5 = 595,36 мг/дм3.
Карбонатная жесткость воды 
= 5,2894 мг-экв/дм3.
Не карбонатная жесткость воды 
= 2,0550 мг-экв/дм3.
Общая жесткость воды 
= 5,2894+2,0550 = 7,3444 мг-экв/дм3.
Анализ воды показал, что она считается жесткой, т.к. результат превышает 6 мг-экв/дм3.