Как гидрологи находят подземные воды? | Геологическая служба США

Национальная информационная система по водным ресурсам Геологической службы США (NWIS) содержит обширные данные о подземных водах для тысяч участков по всей стране.

Как гласит несуществующая пословица: «Люди живут не только поверхностными водами.На протяжении тысячелетий люди также полагались на подземные воды для удовлетворения всех своих потребностей. Подземные воды бесценны для многих целей, от орошения до питьевого водоснабжения. Но вы не можете видеть подземные воды, так как же ученые-гидрологи знают, где они находятся, чтобы иметь возможность бурить скважины и откачивать их для использования?

Как гидрологи находят подземные воды?

Использование научных методов для обнаружения воды

Чтобы точно определить местонахождение грунтовых вод и определить глубину, количество и качество воды, необходимо использовать несколько методов, а целевая территория должна быть тщательно протестирована и изучена для выявления гидрологических и геологических особенностей, важных для планирования и управления ресурсами. Ландшафт может подсказать гидрологу наличие неглубоких грунтовых вод. Условия для большого количества поверхностных грунтовых вод более благоприятны под долинами, чем под холмами. В некоторых регионах — например, в некоторых частях засушливого юго-запада — наличие «водолюбивых» растений, таких как тополя или ивы, указывает на то, что грунтовые воды находятся на небольшой или умеренной глубине. Участки, где вода находится на поверхности пружиныпросачивания, болота или озера отражают наличие подземных вод, хотя и не обязательно в больших количествах или пригодного для использования качества.

Трудно визуализировать воду под землей. Некоторые люди считают, что грунтовые воды собираются в подземных озерах или текут в подземных реках. По сути, грунтовые воды — это просто подповерхностные воды, которые полностью насыщают поры или трещины в почвах и горных породах. грунтовая вода пополняется за счет атмосферных осадков и в зависимости от местного климата и геологии распределяется неравномерно как по количеству, так и по качеству. Когда идет дождь или тает снег, часть воды испаряется, часть выяснилось, растениями, некоторые течет по суше и собирает в ручьи, а некоторые инфильтраты в поры или трещины почвы и горных пород. Первая вода, которая попадает в почву, заменяет воду, которая была испарена или использована растениями в предшествующий засушливый период. Между поверхностью земли и водоносным горизонтом находится зона, которую гидрологи называют ненасыщенной зоной. В этой ненасыщенной зоне обычно есть хотя бы немного воды, в основном в более мелких отверстиях почвы и скалы; большие отверстия обычно содержат воздух вместо воды. После сильного дождя зона может быть почти насыщена водой; после долгой засухи она может быть почти сухой. Часть воды удерживается в ненасыщенной зоне за счет адгезия и когезия, и он не будет течь к колодцу или входить в него. Подобные силы удерживают достаточно воды во влажном полотенце, чтобы оно стало влажным после того, как с него перестало капать.

Читайте также:
Как установить встраиваемый электрический камин - MagikFlame

Диаграмма, показывающая подземные воды как зоны насыщения под землей.

Поиск подземных вод

Подземные воды — это просто подповерхностные воды, которые полностью насыщают поры или трещины в почвах и горных породах. Водоносные пополняются за счет просачивания осадки которые выпадают на сушу, хотя они могут и искусственно восполняться людьми. Существует множество геологических, метеорологических, топографических и человеческих факторов, которые определяют степень и скорость пополнения водоносных горизонтов водой.

Пейзаж предлагает полезные подсказки. Неглубокие грунтовые воды чаще встречаются в долинах, чем под холмами, потому что грунтовые воды подчиняются закону гравитации и течет вниз так же, как поверхностная вода. В засушливых районах наличие «водолюбивых» растений свидетельствует о наличии грунтовых вод на небольшой глубине. Любая территория, где вода выходит на поверхность в родниках, просачиваниях, болотах или озерах, должна иметь некоторое количество грунтовых вод, хотя и не обязательно в большом количестве или пригодного для использования качества.

Горные породы являются наиболее ценными признаками всех сцементированных образований, таких как песчаник, известняк или гранит, а также рыхлых рыхлых отложений, таких как гравий или песок. «Водоносный горизонт» — это любое тело горной породы, содержащее полезный запас воды. Хороший водоносный горизонт должен быть достаточно пористым, чтобы удерживать воду, и достаточно проницаемым, чтобы обеспечить непрерывную подачу воды в колодец.

Гравий, песок, песчаник и известняк являются одними из лучших водоносных горизонтов, но они составляют лишь часть горных пород в земной коре. Большинство горных пород мелкозернистые или иным образом «плотные» и содержат или несут мало воды.

В качестве первого шага в обнаружении грунтовых вод гидролог готовит геологическую карту, показывающую, где различные виды горных пород выходят на поверхность земли. Некоторые скалы могут быть настолько треснувшими и сломанными, что они обеспечивают хорошие отверстия для отвода воды под землю. Однако породы могут быть настолько складчатыми и смещенными, что трудно проследить их местонахождение под землей.

Затем гидролог собирает информацию о колодцах в этом районе — их местоположении, глубине до воды, количестве перекачиваемой воды и породах, через которые они проходят. Поскольку ищущий воду не всегда может позволить себе пробурить пробную скважину для получения информации, скважин уже пробуренные имеют большую ценность.

Читайте также:
Собери свою собственную головоломку из блоков! Руки по мере нашего роста®

Если в этом районе нет скважин или недостаточно информации о существующих, гидролог может заключить договор с бурильщиком скважин на бурение пробных скважин. В этих скважинах будет проводиться откачка или испытание водоносного горизонта. Эти тесты показывают водоносные свойства водоносного горизонта, вскрытого скважиной. По результатам испытаний гидролог может определить количество воды, проходящей через водоносный горизонт, объем воды, который может попасть в колодец, и влияние откачки на уровень воды в других колодцах в этом районе.

Для человека, использующего воду, качество так же важно, как и количество. Гидролог возьмет пробы воды из разные колодцы и провести их химический анализ.

Отчет гидролога и геологическая карта покажут, где можно найти воду, ее химический состав и вообще, сколько ее имеется. Это научный подход, используемый Геологической службой США, государственными агентствами по ресурсам и инженерами-консультантами при проведении исследований подземных вод. Информацию о местных условиях грунтовых вод можно найти в офисах Отдела водных ресурсов Геологической службы США во всех 50 штатах.

Как вы думаете, вы знаете о подземных водах?
Примите участие в Подземные воды правда/ложь викторина, часть нашего Активность Центр.

Расположение водяных колодцев с помощью картирования трасс трещин

Картографирование трасс трещин можно использовать для определения местонахождения более крупных продуктивных колодцев для ферм, предприятий и больших домов.

Расположение водяных колодцев с помощью картирования трасс трещин

В некоторых случаях, особенно при низком уровне выхода грунтовых вод, домовладельцы и фермеры могут нанять лозоходцев или ведьм-водников, чтобы помочь найти колодец. Эти люди медленно пересекают вероятные области с помощью раздвоенной палки или проволочных стержней, пока палка или стержень неконтролируемо падает на землю, указывая на источник воды. Несмотря на многочисленные исследования, так и не было найдено никаких научных оснований для поддержки утверждений сторонников этого подхода.

Зона разлома в известняковой породе

Рис. 1. Схема зоны трещин в разрезе известняковой коренной породы. Обратите внимание на углубления на поверхности, которые часто сопровождают подземные зоны разломов.

Там, где требуются большие объемы грунтовых вод, например, большие дома, фермы или предприятия, клиент чаще доверяет суждениям и опыту надежного подрядчика по бурению скважин. Опытные бурильщики развивают навык распознавания тех растительных и топографических особенностей, которые указывают на лучшие перспективы обнаружения воды. Этот метод имеет научную основу, поскольку он распознает особенности поверхности, которые определяют наличие зоны разломов в нижележащей породе и/или наличие пород, содержащих достаточное количество воды (рис. 1).

Читайте также:
Здание 101: Разбивка через фундамент - JT Custom Builders

Все эти методы разведки подземных вод имеют высокую вероятность добычи скважины с некоторым количеством воды. Однако, если урожай должен поддерживать современный дом, сельскохозяйственное предприятие, сообщество или большой промышленный парк, иногда лучше потратить средства на компетентного гидрогеолога, использующего картографирование следов трещин для определения местонахождения высокопродуктивных скважин.

Метод следов разрушения

Картирование следов трещин успешно используется по всей Пенсильвании для обнаружения скважин, которые дают миллионы галлонов воды в день на постоянной основе.

Основание для определения местоположения водяной скважины следа трещины довольно простое. здесь расположены зоны структурной слабости земной коры, содержащие зоны концентрации трещин в подстилающих коренных породах. Эти разломы на самом деле представляют собой трещины в скале, сгруппированные в зонах шириной от 5 до 50 футов, глубиной от 100 до 200 футов и длиной от нескольких тысяч футов до более мили. Каждая зона разлома может содержать один или до 200 отдельных разломов или трещин, и на любой площади в 100 акров может быть пять или десять разломов или зон разломов.

В плотно сцементированных или плотных породах, таких как известняк, вода находится только в пустотах этих трещин. В других типах горных пород, таких как песчаники, вода может быть обнаружена в крошечных порах самой породы, но, как правило, больше воды можно получить из трещин. Чтобы найти эту воду, гидрогеолог должен точно определить и нанести на карту эти зоны концентрации трещин, уделяя особое внимание конкретным местам, где эти трещины пересекаются. Пробурив скважину именно в этой точке пересечения, шансы на получение хорошего запаса воды значительно возрастают.

Зоны разломов легче всего картировать по легкодоступным аэрофотоснимкам (рис. 2). Гидрогеологи изучают черно-белые или цветные фотографии, чтобы понять наличие зоны разломов под землей. Точно так же, как трещину в оштукатуренной стене, покрытой тонким слоем краски, все еще можно увидеть, так и трещины под землей можно увидеть и нанести на карту. На наличие трещин обычно указывают резкие изменения направления потоков, наличие более высокой или более пышной растительности, расположение воронок или других впадин на поверхности или наличие неглубоких продольных впадин на поверхности поверх рек. зона перелома. Кроме того, почва на недавно вспаханных полях часто высыхает неравномерно, оставляя узор из темных (более влажных) и светлых (более сухих) участков. Более темные участки почвы часто указывают на углубления над зоной разлома. Эти особенности трудно различить на земле, но их можно определить наметанным глазом по фотографиям.

Читайте также:
7 пород кур, которые хорошо себя чувствуют в холодном климате.

Аэрофотосъемка, показывающая пересечения трещин

Рис. 2. Аэрофотоснимок, показывающий перекрестия в местах пересечения трещин.

Точность картирования следов переломов зависит от навыков человека, выполняющего картирование. Те, у кого больше опыта, могут составить карту наиболее точно и могут нанести карту на местности, где поверхностные подсказки чрезвычайно тонкие. Квалифицированный специалист часто может составить карту трещин на 100 акрах земли всего за несколько минут.

После того, как трещины нанесены на аэрофотоснимок, гидрогеолог переносит фотографию на поле, чтобы определить и отметить фактическое расположение трещин на земле для бурения. В густых лесных районах, где трудно найти ориентиры, и в быстро урбанизированных районах, где поверхностный ландшафт резко изменился, это иногда бывает сложной задачей.

Во время наземной съемки гидрогеолог также отмечает типы горных пород, обнаруженных в этом районе, чтобы определить типы горных пород, с которыми столкнется бурильщик. Зная количество воды, которое дает каждый из этих типов пород, гидрогеолог может затем посоветовать бурильщику не тратить время на бурение пород, которые содержат мало воды или вообще не содержат ее. Выездная проверка также выявляет наличие потенциальных источников загрязнения, которые могут ухудшить качество подземных вод на выбранном участке.

Аэрофотоснимки, подходящие для картирования следов трещин, широко доступны в различных онлайн-источниках (как бесплатно, так и за плату). Их также часто можно взять напрокат в местном офисе Службы охраны природных ресурсов или окружном управлении охраны природы.

Ограничения

Техника следов перелома не лишена ограничений. Когда особенности поверхности сильно изменены антропогенными или природными явлениями, метод следов трещин обычно не применяется. В ледниковых районах или районах с очень глубокими отложениями рыхлых материалов этот метод также может быть трудно или невозможно применить. В районах, подвергшихся экстенсивной городской застройке, поверхностные признаки трещин могли быть стерты. По иронии судьбы, именно эти районы больше всего нуждаются в дополнительном водоснабжении. Если трещины нанесены на карту и расположены на земле до начала разработки, этот метод все еще можно применять, а перспективные участки скважин по-прежнему можно найти и защитить от будущей разработки, чтобы они были доступны, когда это необходимо.

Читайте также:
Комнатные цветущие растения: 15 лучших комнатных цветущих комнатных растений | ФТД

Бурильщики также могут чаще сталкиваться с неприятными проблемами при бурении трещин, таких как обвалы, грязь или текучие пески. Кроме того, не каждая скважина с трещинами является фонтанной, поэтому нельзя гарантировать успех до начала буровых работ. Также может быть нехватка гидрогеологов, обученных картированию следов трещин в данном географическом районе.

Дополнительные расходы

Скважина, расположенная с использованием картирования трасс трещин, будет стоить дороже, чем скважина, расположенная случайным образом, потому что необходимо нанять квалифицированного гидрогеолога для изучения аэрофотоснимков и картирования трещин, определения пересечений трещин и посещения площадки для отметки мест бурения. Эта стоимость может варьироваться от нескольких сотен долларов до нескольких тысяч долларов в зависимости от времени и необходимых поездок. Конечно, эта дополнительная стоимость часто незначительна по сравнению с общей стоимостью скважины. На самом деле, скважина со следом трещины может сэкономить деньги в долгосрочной перспективе, увеличив шансы получения достаточного количества воды из отдельной скважины.

Приложения

В плотно сцементированных породах случайное бурение часто не дает воды, достаточной для удовлетворения потребностей даже отдельного дома. Любое водопользование, требующее дебита воды, превышающего средний дебит для конкретной территории (таблица 1), в большинстве случаев существенно снизит затраты на разработку подземных вод за счет применения этого метода. Дома на одну семью редко нуждаются в колодцах для следов трещин, потому что обычно требуется небольшое количество воды, обычно менее 6 галлонов в минуту. Такое количество воды находится в большинстве беспорядочно расположенных колодцев, но есть определенные локальные участки, печально известные малодебитными колодцами.

Таблица 1. Дебит воды в галлонах в минуту (галлонов в минуту) из типичных скважин и скважин с трещинами в различных геологических формациях, характерных для Пенсильвании.

Рок тип Сред. Урожай
(гал/мин)
Доход от
Переломы
(гал/мин)
Кристаллический
(мрамор и др.)
1-20 200-500
Песчаник, сланец 5-60 100-500
Карбонат
(известняк и др.)
5-500 500-3,000
неконсолидированный
(гравий, песок)
100-1,000 Непригодный

Однако расположение колодцев по следам трещин гораздо полезнее для ферм, предприятий или сообществ, которым нужны добывающие скважины гораздо большего размера. Он имеет высокую вероятность превышения средней урожайности на данной территории и, следовательно, удовлетворения потребностей водопользования. Например, одно предыдущее обследование 123 населенных пунктов, в которых были обнаружены колодцы с использованием картирования следов трещин, показало, что 80 процентов превысили средний уровень водоносных горизонтов подземных вод в их регионах. Во многих случаях полученный дебит скважин намного превышал любые ранее полученные дебиты скважин в этом регионе.

Читайте также:
Черно-белые обои | Полосатый, простой и геометрический мир обоев США

Специалисты по планированию землепользования в растущих сообществах также могут счесть картографирование следов трещин ценным инструментом для защиты будущих источников воды. Деятельность, которая может привести к загрязнению ресурсов подземных вод, например, горнодобывающая промышленность, свалки или промышленные парки, может быть расположена так, чтобы избежать зон концентрации трещин.

След трещины хорошо расположен

Рис. 3. Колодец (стрелка), расположенный в углублении, нанесенном на карту с помощью метода трассировки трещин для фермы в центральной Пенсильвании.

Поиск гидрогеолога

Первым шагом к нанесению на карту местоположения скважины с использованием метода трассировки трещин является поиск квалифицированного гидрогеолога. Профессиональные гидрогеологи часто указаны на желтых страницах местного телефонного справочника в разделе «Геологи». Вы также можете связаться с местными бурильщиками водяных скважин, офисами Департамента охраны окружающей среды, районами охраны природы или офисами расширения штата Пенсильвания, чтобы найти имена и контактную информацию местных гидрогеологов.

Заключительное слово

Картирование траекторий трещин используется в течение десятилетий для успешного определения местонахождения скважин с высоким дебитом. Рассмотрите возможность использования этой технологии, если вам нужна более производительная скважина для дома, фермы или бизнеса.

Внутренние (частные) снабжающие скважины активны

Более 43 миллионов человек — около 15 процентов населения США — используют домашние (частные) колодцы как источник питьевой воды. Качество и безопасность воды из бытовых колодцев не регулируются Федеральным законом о безопасной питьевой воде или, в большинстве случаев, законами штата. Вместо этого отдельные домовладельцы несут ответственность за техническое обслуживание своих бытовых колодцев и за мониторинг качества воды.

Карта расположения ледниковых водоносных горизонтов в США.

Новые трехмерные модели Национальной программы качества воды Геологической службы США предсказывают, где в системе ледниковых водоносных горизонтов, обеспечивающих подземные воды для 3 миллионов человек, вероятны высокие концентрации мышьяка и марганца. Окислительно-восстановительные условия и рН являются контролирующими факторами.

Внутренний колодец

Есть литий? Новое исследование Геологической службы США сообщает, что около 45% колодцев общественного водоснабжения и около 37% колодцев внутреннего водоснабжения США имеют концентрацию лития, которая может представлять потенциальный риск для здоровья человека.

Внутренний колодец

Внутреннее снабжение хорошо. Фотография из циркуляра USGS 1354 «Качество воды в основных водоносных горизонтах регионов Пьемонт, Голубой хребет, долины и хребта, восточная часть США, 1993–2009 годы».

Читайте также:
Калькулятор веса металла - Калькулятор веса стали

Национальная программа качества воды Геологической службы США исследует качество воды, откачиваемой из бытовых колодцев в Соединенных Штатах. Эти колодцы являются единственным источником питьевой воды и воды для других хозяйственных нужд для большинства жителей многих сельских районов. Риски для здоровья, связанные с загрязняющими веществами в водопроводной воде для бытовых нужд, включают желудочно-кишечные заболевания, связанные с бактериями и другими патогенами, а также воздействие повышенных концентраций нитратов, мышьяка, радона, свинца и органических соединений. Как правило, вода, подаваемая из бытовых колодцев, обычно не проверяется. В результате люди, пользующиеся колодцами для бытового водоснабжения, могут пить воду с повышенными концентрациями некоторых загрязняющих веществ.

Качество и безопасность воды из частных бытовых колодцев не регулируется федеральными законами или, в большинстве случаев, законами штатов. Домовладельцы несут основную ответственность за техническое обслуживание своих бытовых колодцев и за любой мониторинг качества воды. Федеральные правила в соответствии с Законом о безопасной питьевой воде (SDWA) для общественного водоснабжения, хотя и не применимы напрямую к регулированию бытовых колодцев, предусматривают полезные ориентиры концентрации для оценки качества воды из бытовых колодцев в контексте здоровья человека.

Качество воды в бытовых колодцах

В исследование 2,100 отечественных скважин, вода, откачиваемая примерно из каждой пятой скважины, содержала одно или несколько загрязняющих веществ в концентрации, превышающей контрольный показатель для здоровья человека для питьевой воды. Вспомогательная информация и сводные данные для исследования могут быть найдены здесь.

Загрязнители, наиболее часто обнаруживаемые при этих повышенных концентрациях, представляли собой неорганические химические вещества, такие как металлы, радионуклидыи нитрат; все они, кроме нитрата, получены в основном из природных источников.

Искусственные органические соединения, такие как пестицидов и растворители, были обнаружены более чем в половине (60 процентов) отобранных отечественных колодцев, но концентрации редко превышали контрольные значения для здоровья человека (менее 1 процента колодцев).

Около половины колодцев содержали по крайней мере один «неприятный» загрязнитель — соединение, ухудшающее вкус, запах или другие эстетические соображения— на уровне или концентрации вне диапазона значений, рекомендованных Агентством по охране окружающей среды США.

Читайте также:
75 красивых идей дизайна крыльца и фото | Хоузз

Микробные загрязнители (например, бактерии) были обнаружены примерно в одной трети из примерно 400 колодцев, вода которых была проанализирована на эти загрязнители.

Загрязняющие вещества, обнаруживаемые в бытовых колодцах, обычно встречаются вместе с другими загрязняющими веществами в виде смесей, а не поодиночке, что вызывает потенциальную озабоченность, поскольку общая токсичность смеси может быть выше, чем у любого отдельного загрязнителя.

Более подробная информация о качестве воды из бытовых колодцев содержится в публикациях Геологической службы США, в которых обобщается качество воды в основных водоносных горизонтах в девять регионов США и конкретно подземные воды из бытовых скважин в основных водоносных горизонтах.

Где используются бытовые скважины?

Людей, пользующихся бытовыми колодцами на квадратный километр

Карты Геологической службы США показать, где люди по всей стране полагаются на частные колодцы для получения питьевой воды. На картах оценивается количество людей, пользующихся частными колодцами в данном районе, но отдельные колодцы не идентифицируются. Карты могут помочь определить, где необходимы целенаправленные проверки качества подземных вод или дальнейшие исследования, чтобы обеспечить безопасную питьевую воду из частных колодцев. Например, наложение информации об использовании частных колодцев на карту потенциально агрессивных подземных вод можно использовать для целенаправленного тестирования качества воды на содержание свинца в районах с высокой плотностью частных колодцев и высокой вероятностью наличия потенциально агрессивных грунтовых вод.

Фото и иллюстрации, показывающие отличия бытовых и общественных колодцев

Различия в конструкции скважин для бытовых и общественных скважин (изображение взято из циркуляра USGS 1352).

Виды бытовых колодцев

Есть несколько типов бытовых колодцев, используемых домовладельцами. Самые старые колодцы копались вручную. Эти колодцы обычно неглубокие и большого диаметра (несколько футов) и могут быть облицованы камнями, кирпичом или плиткой. Обычно они простираются лишь на небольшое расстояние ниже уровня грунтовых вод. Забивные скважины сооружаются путем забивания труб малого диаметра в насыщенные рыхлые пески и гравий. Забивные колодцы обычно глубже вырытых колодцев, но все же относительно неглубокие. Большинство современных скважин бурят с помощью автомашин, вращательным или ударным способом. Пробуренные скважины могут иметь глубину от нескольких сотен до более тысячи футов и могут проникать в твердые отложения и коренные породы. Пробуренные скважины в рыхлых отложениях имеют обсадную трубу и экран для предотвращения обрушения окружающей породы и отложений в скважину. Скважины, пробуренные в коренных породах, обычно обсажены вышележащим грунтом и тонкими отложениями, а внизу представляют собой открытые скважины. Бытовые колодцы обычно качают воду с меньшей глубины, чем общественные колодцы.

Читайте также:
Какие детали вам нужны для вашей системы индукционного освещения? Индукционные светильники Corp

Интересуетесь качеством воды в коммунальных колодцах?

Информацию об исследованиях глубоких колодцев, из которых добывают воду, которую большинство из нас использует для питья, можно найти здесь.

Рейтинг
( Пока оценок нет )
Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: