Приведите классификации подземных вод.
Опишите разные фазовые состояния воды в породах (в твердом состоянии) , а также условия залегания и движения подземных вод (верховодки)

РефератПомощь в написанииУзнать стоимостьмоей работы

Если в толще водопроницаемых пород залегает линза водонепроницаемых пород, то проникающие сверху осадки, достигая линзы, задерживаются, скапливаются, образуя самостоятельный водоносный горизонт — верховодку. Верховодка обычно насыщает различные пористые породы. Она встречается также в верхней части коры выветривания скальных пород. Кроме того, верховодка распространена в районах многолетней… Читать ещё >

Приведите классификации подземных вод. Опишите разные фазовые состояния воды в породах (в твердом состоянии) , а также условия залегания и движения подземных вод (верховодки) (реферат, курсовая, диплом, контрольная)

Воды, находящиеся в верхней части земной коры, носят название подземных вод. Подземные воды подразделяют: по характеру их использования и по условиям залегания в земной коре. В число первых входят хозяйственно-питьевые воды, технические, промышленные, минеральные, термальные. Ко вторым относят: верховодки, грунтовые и межпластовые воды, а также воды трещин, карста, вечной мерзлоты. В инженерно-геологических целях подземные воды целесообразно классифицировать по гидравлическому признаку — безнапорные и напорные.

Хозяйственно-питьевые воды. Подземные воды широко используют для хозяйственно-питьевых целей. Пресные подземные воды — лучший источник питьевого водоснабжения, поэтому использование их для других целей, как правило, не допускается. Источником хозяйственно-питьевого водоснабжения являются подземные воды зоны интенсивного водообмена. Глубина залегания пресных подземных вод от поверхности земли обычно не превышает нескольких десятков метров. Однако имеются районы, где они залегают на больших глубинах (300−500 м и более). В последние годы для хозяйственно-питьевого водоснабжения начинают использовать также солоноватые и соленые подземные воды после их искусственного опреснения.

Технические воды — это воды, которые используют в различных отраслях промышленности и сельского хозяйства. Требования к подземным техническим водам отражают специфику того или иного вида производства.

Промышленные воды содержат в растворе полезные элементы (бром, йод и др.) в количестве, имеющем промышленное значение. Обычно они залегают в зоне весьма замедленного водообмена, минерализация их высокая (от 20 до 600 г/л), состав хлоридно-натриевый, температура нередко достигает 60−80 о С.

Минеральными называют подземные воды, которые имеют повышенное содержание биологически активных микрокомпонентов, газов, радиоактивных элементов и т. д. Они выходят на поверхность земли источниками или вскрываются буровыми скважинами.

Термальные подземные воды имеют температуру более 37 о С. Они залегают повсеместно на глубинах от нескольких десятков и сотен метров (в горно-складчатых районах) до нескольких километров (на платформах).

Верхняя часть земной коры в зависимости от степени насыщения водой пор горных пород делится на две зоны: верхнюю — зону аэрации и нижнюю — зону насыщения.

Зона аэрации расположена между поверхностью земли и уровнем грунтовых вод. В этой зоне наблюдается просачивание атмосферных осадков из поверхностных вод вглубь, в сторону зоны насыщения. Поры горных пород в зоне аэрации лишь частично заполнены водой, остальная часть их занята воздухом.

Зона насыщения горных пород расположена ниже уровня грунтовых вод. В этой зоне все поры, трещины, каверны и другие пустоты заполнены гравитационной водой. Подземные воды в зоне насыщения циркулируют в виде верховодок, грунтовых, артезианских, трещинных и вод вечной мерзлоты.

Верховодки — это временные скопления подземных вод в зоне аэрации.

Грунтовые воды. Грунтовыми называют постоянные во времени и значительные по площади распространения горизонты подземных вод, залегающие на первом от поверхности водоупоре. Грунтовые воды в силу наличия свободной поверхности безнапорные. Иногда они могут проявить так называемый местный напор, связанный с залеганием линзы глины в уровне зеркала.

Межпластовые подземные воды. Эти воды располагаются в водоносных горизонтах между водоупорами. Они бывают ненапорными и напорными (артезианскими). Межпластовые ненапорные воды встречаются сравнительно редко. Они связаны с горизонтально залегающими водоносными слоями, заполненными водой полностью или частично. Напорные (артезианские) воды связаны с залеганием водоносных слоев в виде синклиналей или моноклиналей.

Верховодка

Верховодка - это ненапорные подземные воды зоны аэрации, залегающие на небольшой глубине от поверхности Земли выше уровня грунтовых вод и имеющие ограниченное распространение.

Заметное влияние на формирование верховодки оказывает характер рельефа. Так на склонах, особенно крутых, где благоприятны условия для поверхностного стока и неудовлетворительны для инфильтрации, верховодка не формируется. Наилучшие условия для верховодки создаются на плоских водоразделах, особенно в понижениях микрорельефа (западинах, степных блюдцах и т. п.). На территориях больших городов образованию верховодки способствуют также многочисленные понижения, ямы, старые котлованы.

Ввиду незначительной мощности и распространения водоупорных линз верховодка образует лишь временное скопление воды, которое исчезает в засушливое время года. Поэтому вода верховодки используется лишь для водоснабжения отдельных хозяйств сельской местности или снабжения мелких предприятий.

Качество вод верховодки различно. В районах избыточного увлажнения они слабо минерализованы, в засушливых районах — сильно минерализованы. На территориях городов воды верховодки, вследствие неглубокого залегания от поверхности, сильно загрязняются.

При строительных работах воды верховодки являются неблагоприятным фактором и для устранения вредного влияния верховодки применяется дренаж-осушение.

При инженерно-геологических изысканиях следует учитывать следующие особенности:

1) верховодка может образовываться даже при отсутствии в зоне аэрации каких-либо водоупорных пропластков, например, когда в толщу суглинков обильно поступает вода, но из-за их низкой водопроницаемости просачивание происходит замедленно и в верхней части толщи может образоваться верховодка, которая затем, через некоторое время, рассасывается;
2) в сухое время года верховодка не всегда обнаруживается при изысканиях, поэтому, чтобы предотвратить ее внезапное появление в период строительства, следует выполнять вероятностный инженерно-геологический прогноз ее появления, в том числе, с привлечением методов имитационного моделирования особенно на просадочных (лессовых, протаивающих многолетнемерзлых) и набухающих глинистых грунтах.

Вода в твердом состоянии

Вода — одно из самых распространенных на Земле химических соединений. Она окружает нас повсеместно, даже природные явления, ежедневно наблюдаемые нами — облачность, туман, дождь, снег — всего лишь различные состояния воды жидкое, газообразное и твердое. Газообразное состояние воды принято называть паром. В природе понятие влажности воздуха подразумевает содержание количества водяных паров в воздухе (большое содержание паров — повышенная влажность воздуха).

При температуре 0 °C и ниже и нормальном атмосферном давлении вода переходит в твердое состояние — лед. Лед очень плохо поддается сжиманию, а плотность льда, за счет его молекулярного строения меньше плотности воды, поэтому лед находится на поверхности воды и при температуре 0 °C всегда выступает из нее на 1/5 своего объема.

В настоящее время известны три аморфных разновидности и 15 кристаллических модификаций льда. Фазовая диаграмма показывает, при каких температурах и давлениях существуют некоторые из этих модификаций.

Рис. 1. Фазовая диаграмма льда. Давление (ГПа) в логарифмическом масштабе, температура слева — в градусах Цельсия, справа — Кельвина, 1 — жидкая фаза.

В природных условиях Земли лёд представлен, главным образом, одной кристаллической модификацией, кристаллизующейся в гексагональной сингонии (лёд Ih). Во льду Ih каждая молекула Н 2O окружена четырьмя ближайшими к ней молекулами, находящимися на одинаковых расстояниях от неё, равных 2,76 Е и размещённых в вершинах правильного тетраэдра.

Рис 2. Кристаллическая структура льда Ih.

Ажурная структура такого льда приводит к тому, что его плотность, равная 916,7 кг/мі при 0 °C, ниже плотности воды (999,8 кг/мі) при той же температуре. Поэтому вода, превращаясь в лёд, увеличивает свой объём примерно на 9%. Лёд, будучи легче жидкой воды, образуется на поверхности водоёмов, что препятствует дальнейшему замерзанию воды.

Высокая удельная теплота плавления льда, равная 330 кДж/кг, (для сравнения — удельная теплоты плавления железа равна 270 кДж/кг), служит важным фактором в обороте тепла на Земле. Так, чтобы растопить 1 кг льда или снега, нужно столько же тепла, чтобы нагреть литр воды от 0 до 80 °C.

Лёд встречается в природе в виде собственно льда (материкового, плавающего, подземного), а также в виде снега, инея и т. д. Под действием собственного веса лёд приобретает пластические свойства и текучесть.

Природный лёд обычно значительно чище, чем вода, так как при кристаллизации воды в первую очередь в решётку встают молекулы воды (см. зонная плавка). Лёд может содержать механические примеси — твёрдые частицы, капельки концентрированных растворов, пузырьки газа. Наличием кристалликов соли и капелек рассола объясняется солоноватость морского льда.

Искусственный лёд можно получить охлаждением, происходящим при растворении некоторых солей в воде или кислотах или охлаждением при испарении жидкостей в разрежённом пространстве.


Фаза.	Характеристики.
Аморфный лёд.	Аморфный лёд не обладает кристаллической структурой. Он существует в трех формах: аморфный лёд низкой плотности (LDA), образующийся при атмосферном давлении и ниже, аморфный лёд высокой плотности (HDA) и аморфный лёд очень высокой плотности (VHDA), образующийся при высоких давлениях. Лёд LDA получают очень быстрым охлаждением жидкой воды («сверхохлаждённая стекловидная вода», HGW), или конденсацией водяного пара на очень холодной подложке («аморфная твёрдая вода», ASW), или путём нагрева высокоплотностных форм льда при нормальном давлении («LDA»).
Лёд Ih.	Обычный гексагональный кристаллический лёд. Практически весь лёд на Земле относится ко льду Ih, и только очень малая часть — ко льду Ic.
Лёд Ic.	Метастабильный кубический кристаллический лёд. Атомы кислорода расположены как в кристаллической решётке алмаза. Его получают при температуре в диапазоне 130—150 K, он остаётся устойчивым до 200 K, а при дальнейшем нагреве переходит в лёд Ih. Он изредка встречается в верхних слоях атмосферы.
Лёд II.	Тригональный кристаллический лёд с высокоупорядоченной структурой. Образуется изо льда Ih при сжатии и температурах 190—210 K. При нагреве он преобразуется в лёд III.
Лёд III.	Тетрагональный кристаллический лёд, который возникает при охлаждении воды до 250 K и давлении 300 МПа. Его плотность больше, чем у воды, но он наименее плотный из всех разновидностей льда в зоне высоких давлений.
Лёд IV.	Метастабильный тригональный лёд. Его трудно получить без нуклеирующей затравки.
Лёд V.	Моноклинный кристаллический лёд. Возникает при охлажении воды до 253 K и давлении 500 МПа. Обладает самой сложной структурой по сравнению со всеми другими модификациями.
Лёд VI.	Тетрагональный кристаллический лёд. Образуется при охлажении воды до 270 K и давлении 1,1 ГПа. В нём проявляется дебаевская релаксация.
Лёд VII.	Кубическая модификация. Нарушено расположение атомов водорода; в веществе проявляется дебаевская релаксация. Водородные связи образуют две взаимопроникающие решётки.
Лёд VIII.	Более упорядоченный вариант льда VII, где атомы водорода занимают, очевидно, фиксированные положения. Образуется изо льда VII при его охлаждении ниже 5 °C.
Лёд IX.	Тетрагональная метастабильная модификация. Постепенно образуется изо льда III при его охлаждении от 208 K до 165 K, стабилен при температуре ниже 140 K и давлениях между 200 и 400 МПа. Его плотность 1,16 г/смі, то есть, несколько выше, чем у обычного льда.
Лёд X.	Симметричный лёд с упорядоченным расположением протонов. Образуется при давлениях около 70 ГПа.
Лёд XI.	Ромбическая низкотемпературная равновесная форма гексагонального льда. Является сегнетоэлектриком.
Лёд XII.	Тетрагональная метастабильная плотная кристаллическая модификация. Наблюдается в фазовом пространстве льда V и льда VI. Можно получить нагреванием аморфного льда высокой плотности от 77 K до примерно 183 K и при давлении 810 МПа.
Лёд XIII.	Моноклинная кристаллическая разновидность. Получается при охлаждении воды ниже 130 K и давлении 500 МПа. Разновидность льда V с упорядоченным расположением протонов.
Лёд XIV.	Ромбическая кристаллическая разновидность. Получается при температуре ниже 118 K и давлении 1,2 ГПа. Разновидность льда XII с упорядоченным расположением протонов.
Лёд XV.	Разновидность льда VI с упорядоченным расположением протонов. Можно получить путём медленного охлаждения льда VI примерно до 130 K и давлении 0,8−1,5 ГПа. 4].

Новые исследования формирования водяного льда на ровной поверхности меди при температурах 100—140 K показали, что сначала на поверхности возникают цепочки молекул шириной около 1 нм не гексагональной, а пентагональной структуры.

Использование льда в технике

Ледяная гидросмесь. В конце 1980;х годов лаборатория Аргонн разработала технологию изготовления ледяной гидросмеси (Ice Slurry), способной свободно течь по трубам различного диаметра, не собираясь в ледяные наросты, не слипаясь и не забивая системы охлаждения [1]. Солёная водяная суспензия состояла из множества очень мелких ледяных кристалликов округлой формы. Благодаря этому сохраняется подвижность воды и, одновременно, с точки зрения теплотехники она представляет собой лёд, который в 5−7 раз эффективнее простой холодной воды в системах охлаждения зданий. Кроме того, такие смеси перспективны для медицины. Опыты на животных показали, что микрокристаллы смеси льда прекрасно проходят в довольно мелкие кровеносные сосуды и не повреждают клетки. «Ледяная кровь» удлиняет время, в течение которого можно спасти пострадавшего. Скажем, при остановке сердца это время удлиняется, по осторожным оценкам, с 10−15 до 30−45 минут.

Использование льда в качестве конструкционного материала широко распространено в приполярных регионах для строительства жилищ — иглу. Лёд входит в состав предложенного Д. Пайком материала Пайкерит, из которого предлагалось сделать самый большой в мире авианосец. Использование льда для постройки искусственных островов описывается в фантастическом романе Ледяной остров.

Показать весь текст

Заполнить форму текущей работой