Подземни води и ледници — урок по география

1. Сладката вода на Земята

На Земята има около 1,39 млрд. km³ вода, но почти цялата е солена. Сладката е само около 2,5% – и повече от две трети от нея е замръзнала в на Антарктида и Гренландия. От течната сладка вода пък около 97% е под земята. Реките и езерата, от които пием най-често, са по-малко от един процент от сладката вода. Числата по-долу са закръглени по оценките на И. Шикломанов и Геоложката служба на САЩ.

Къде е водата	от цялата вода	от сладката вода
Световният океан	96,5%	—
Ледници и вечен сняг	1,74%	≈ 69%
Подземни води (сладки)	0,76%	≈ 30%
Езера (сладки), блата, почвена влага	≈ 0,01%	≈ 0,4%
Атмосферата	0,001%	0,04%
Реките	0,0002%	0,006%

Освен сладката, под земята има почти още толкова солена вода. Но запасът не е всичко: водата в реките се подменя за седмици, подземната – за години до хиляди години, а ледът в Антарктида – за стотици хиляди години. Затова подземните води и ледниците са бавните „спестовни сметки“ в (виж урока Водата във въздуха).

2. Как водата влиза под земята

Част от се просмуква в – това е инфилтрация. Колко се просмуква, зависи от скалите, от наклона, от растителността и от това дали почвата вече е наситена. В горния слой, зоната на аерация, порите са пълни отчасти с въздух, отчасти с вода. Под нея е зоната на насищане, където всички пори са пълни с вода. Границата между двете е нивото на подземните води – то повтаря, макар и по-плавно, релефа: под хълмовете е по-високо, а при реките и езерата излиза на повърхността.

О

Порестост и водопропускливост

Порестост

n

– каква част от обема на скалата са порите и пукнатините. Водопропускливост – колко лесно тече вода през скалата; мери се с коефициента на филтрация

K

(m/s). Двете не вървят заедно: глината е много пореста, но порите ѝ са толкова дребни, че водата почти не тече през тях.

Скала	порестост	K, m/s	роля
чакъл	25–40%	10⁻³–10⁻¹	отличен водоносен пласт
пясък	25–50%	10⁻⁵–10⁻³	добър водоносен пласт
льос, прах	35–50%	10⁻⁸–10⁻⁶	слабо пропусклив
глина	40–70%	10⁻¹¹–10⁻⁹	водоупор
напукан варовик	5–30%	много различна	карстови води
гранит без пукнатини	под 1%	10⁻¹³–10⁻¹⁰	водоупор

Пластовете, които съдържат и пропускат достатъчно вода, за да я добиваме, са водоносни пластове (водоносни хоризонти) – пясъци, чакъли, напукани варовици. Слабо пропускливите, най-често глини, са водоупори. Как се образуват скалите и защо едните са с големи пори, а другите – плътни, е в урока Строежът на Земята.

3. Безнапорни и напорни води

Пласт, над който няма водоупор, е безнапорен: горната граница на водата в него е свободното ниво на подземните води, а в кладенеца водата застава точно на това ниво. Такива са грунтовите води в речните тераси и равнините – от тях пият повечето селски кладенци. Те се подхранват направо от валежите, затова през сухо лято нивото им пада и плитките кладенци пресъхват.

Когато водоносният пласт е заключен между два водоупора, водата в него е напорна. Пластът излиза на повърхността някъде по-високо – в хълмовете или планината – и там се подхранва. В останалата си част водата е притисната от тежестта на водата по-нагоре по пласта, точно както в скачени съдове (виж урока Статика и флуиди). Ако пробием водоупора, водата се вдига в тръбата до пиезометричното ниво. Където то е над терена, кладенецът се самоизлива.

О

Артезиански води

Напорни подземни води, които в кладенеца се издигат над горната граница на пласта; ако пиезометричното им ниво е над терена, бликат сами. Името идва от областта Артоа (лат. Artesium) в Северна Франция, където такива кладенци се копаят от Средновековието.

Напорният пласт се подхранва в хълмовете, където излиза на повърхността. Водата в него е притисната под глината – в кладенеца тя се издига до пиезометричното ниво (виолетовата линия).

валеж, %100помпа0

плитък кладенецима воданапор над терена35 mартезианскисамоизлива се

Пиезометричното ниво е на 35 m над терена – водата сама блика от кладенеца.

Големи напорни пластове има под много равнини и низини – например под Сахара, под Големия артезиански басейн в Австралия и под Унгарската низина. У нас такива пластове има под Дунавската равнина, а във Варненския артезиански басейн водата е и топла – с нея се захранват басейните в Златни пясъци и Варна.

4. Законът на Дарси

Подземната вода тече от по-високото към по-ниското водно ниво, но много бавно – обикновено от сантиметри до метри на ден. Колко вода протича, казва законът, който Дарси открива с пясъчните си тръби.

Т

Законът на Дарси

Q = K\,A\,\dfrac{\Delta h}{L}

: дебитът

Q

(m³/s) е пропорционален на коефициента на филтрация

K

, на площта на сечението

A

и на наклона на водното ниво

i = \Delta h / L

. Водата минава само през порите, затова действителната ѝ скорост е

v = \dfrac{K\,i}{n_e}

, където

n_e

е ефективната порестост.

Пример

Пясъчен пласт с K = 10⁻⁴ m/s и nₑ = 0,25; водното ниво пада с 1 m на 100 m. Колко бързо тече водата и за колко време изминава 500 m?

$i = 1/100 = 0{,}01$
$v = \frac{10^{-4} \cdot 0{,}01}{0{,}25} = 4 \cdot 10^{-6}\ \mathrm{m/s} \approx 0{,}35\ \mathrm{m/ден} \approx 126\ \mathrm{m/год.}$
$t = \frac{500}{126} \approx 4$ години.

Червеното петно е докъдето е стигнало замърсяването след t години (без разсейване и задържане в скалата). Наклонът на водното ниво на чертежа е силно преувеличен.

i, ‰5d, m500t, год.2

q = K·i16 m/год.v = q/nₑ63 m/год.до кладенеца7,9 год.отток0,43 m³/ден на 1 m ширина

За 2 год. замърсяването е изминало 126 m от 500 m.

Коефициентът на филтрация е между около 10⁻¹ m/s за чакъл и 10⁻¹¹ m/s за глина – десет милиарда пъти разлика. Затова сметищата и складовете за отпадъци се правят върху уплътнена глина, а кладенците за питейна вода се заграждат със санитарно-охранителни зони, в които е забранено да се строи и тори. Изключение от бавното течение са варовици: там водата тече по пукнатини и с километри на ден и законът на Дарси вече не важи.

5. Кладенци, извори и преизползване

Когато от кладенец се изпомпва вода, нивото около него се снижава и образува депресионна фуния – най-дълбока при самия кладенец и все по-плитка навън. Ако помпите са много или дебитът им е голям, фуниите се сливат и нивото пада на голяма площ. Около много големи градове – Мексико, Джакарта, Пекин – изпомпването е толкова силно, че пластовете се свиват и земята потъва с сантиметри годишно.

Там, където нивото на подземните води пресича повърхността, водата излиза като извор: в подножието на склон, по разсед или където водоносният пласт лежи върху водоупор. Особено мощни са карстовите извори – в тях излиза водата, събрана от големи варовикови масиви. Такъв е Глава Панега край Луковит, един от най-пълноводните извори у нас. Как водата изгражда пещери и , е в урока Външни сили и релеф.

При морския бряг сладката подземна вода е по-лека от солената и „плува“ върху нея като леща. Колко дълбоко стига, се смята от равновесието на налягането – сладкият стълб с височина $h + z$ тежи колкото соления стълб $z$ .

Т

Правило на Гибен–Херцберг

\rho_{\text{сл}}\,(h + z) = \rho_{\text{сол}}\,z \;\Rightarrow\; z = \dfrac{\rho_{\text{сл}}}{\rho_{\text{сол}} - \rho_{\text{сл}}}\,h \approx 40\,h

при

\rho_{\text{сол}} = 1{,}025\ \mathrm{g/cm^3}

. Тук

h

е височината на водното ниво над морското, а

z

– дълбочината на границата със солената вода под морското ниво. Ако нивото спадне с 1 m, солената вода се вдига с около 40 m.

Затова прекомерното изпомпване по крайбрежията и на островите е опасно: кладенците засоляват, а засолен пласт се възстановява с десетилетия. Пусни помпата в режима „Морски бряг“ на лабораторията по-горе и виж как солената вода се вдига под кладенеца.

6. Минерални и термални води

Колкото по-дълбоко прониква водата, толкова по-топла става: в температурата расте средно с около 30 °C на километър. По дълбоките разседи валежната вода слиза на километри, нагрява се, разтваря соли и газове и се връща нагоре като минерална вода. Ако е по-топла от около 20–37 °C (границата е различна в различните класификации), я наричат термална.

Т

Геотермален градиент

T(z) \approx T_0 + \Gamma\,z

, като в земната кора обикновено

\Gamma \approx 25\text{–}30\ ^\circ\mathrm{C/km}

; около млади разседи и вулкани е повече.

Пример

Кюстендилските извори са с около 74 °C. Ако на повърхността е 11 °C, а градиентът е 30 °C/km, от каква дълбочина най-малко идва водата?

$z = \frac{74 - 11}{30} = 2{,}1\ \mathrm{km}$

България е сред най-богатите на минерални води страни в Европа – има стотици находища с много различен състав и температура. В Сапарева баня сондаж дава вода с около 103 °C, която се смята за най-горещата на континентална Европа. Велинград, Хисаря, Кюстендил, Банско, Девин, Наречен и много други градове са израснали около изворите си. Нарязаният на блокове от разседи релеф на Рило-Родопския масив и Средногорието дава много пътища, по които водата слиза и излиза (виж урока Тектоника на плочите).

7. Как се ражда и тече ледникът

Ледник се образува там, където годишно пада повече сняг, отколкото успява да се стопи. Пресният сняг е много лек – около 0,1 g/cm³. Под тежестта на следващите слоеве и при многократно топене и замръзване той се превръща в зърнест фирн (около 0,5 g/cm³), а след години или векове – в плътен ледников лед (около 0,9 g/cm³), в който остават само мехурчета въздух. Тези мехурчета са архивът на древната атмосфера, който четем в (виж урока Изменението на климата).

О

Баланс на масата на ледника

В горната зона на натрупване годишно се натрупва повече сняг, отколкото се стопява; в долната зона на топене (аблация) е обратно. Границата им е линията на равновесие. Ако годишно се натрупва колкото се губи, ледникът е в равновесие и езикът му стои на място – въпреки че ледът непрекъснато тече надолу.

Ледът под собствената си тежест тече като много гъста течност и се плъзга по леглото. В средата на ледника той е най-бърз, а по краищата и дъното го забавя. Обикновените планински ледници изминават от десетки до стотици метри годишно, а най-бързите изходни ледници на Гренландия – до няколко десетки метра на ден. Горните, крехки слоеве лед не успяват да текат и се напукват на пукнатини.

Опростен модел: над линията на равновесие (виолетовия пунктир) годишно се натрупва повече сняг, отколкото се топи, под нея – обратно. Стрелките показват скоростта на леда – най-бърз е около линията на равновесие. Вертикалният мащаб е увеличен около 3,5 пъти.

ΔT, °C0сняг, %100

линия на равновесие2600 mдължина8,0 kmезик на2200 mспрямо днес+0,0 km

Натрупването и топенето са в равновесие: езикът стои на място, макар ледът да тече непрекъснато надолу.

Затова ледниците са чувствителни термометри: при по-топъл линията на равновесие се вдига и езикът се оттегля, а при по-студен или по-снежен – напредва. Откакто има измервания, повечето планински ледници в света намаляват. Формите, които ледниците оставят – , трогове, , – са разгледани в урока Външни сили и релеф.

8. Ледените щитове и вечно замръзналата почва

Днес ледът покрива около 10% от сушата, а в разгара на последния – около 30%. По-голямата част е в двата ледени щита – огромни куполи лед, които покриват цели континенти и бавно се разтичат към краищата си. Антарктида е покрита с лед с дебелина средно около 2 km, а на места – над 4 km. Където щитовете стигат до морето, ледът продължава да плува като шелфови ледници, а от тях се откъсват айсберги.

Леден щит	обем лед	ако се стопи, морето се вдига с
Антарктида	≈ 26,5 млн. km³	≈ 58 m
Гренландия	≈ 2,9 млн. km³	≈ 7,4 m
Планинските ледници	≈ 0,16 млн. km³	≈ 0,3 m

Морското ниво вдига само ледът на сушата. Плаващият морски лед вече е изместил толкова вода, колкото тежи, и като се стопи, нивото почти не се мени. Колко и колко бързо ще се вдигне океанът при затопляне, е разгледано в урока „Изменението на климата“.

В България днес няма истински ледници – те са изчезнали в края на последния ледников период. В Пирин обаче, в сенчестите циркуси под Вихрен, са оцелели малки ледничета. Най-известното, Снежника в Големия Вихренски циркус, е с площ от порядъка на хектар и се смята за едно от най-южните в Европа. То се крепи от снега, който лавините и вятърът навяват в циркуса, и от сянката на стените му.

В Сибир, Аляска и Северна Канада земята под тънкия летен слой е замръзнала през цялата година, понякога до стотици метри дълбочина – това е вечно замръзналата почва. Тя не пропуска вода, затова през лятото над нея се образуват безброй езера и блата, а при затопляне се размразява, сляга се и отделя въглероден диоксид и метан.

9. Тренажор

✅ Решени: 0🔥 Серия: 0🏆 Рекорд: 0

K = 2 \cdot 10^{-4}\ \mathrm{m/s},\ A = 200\ \mathrm{m^2},\ \Delta h = 3\ \mathrm{m},\ L = 200\ \mathrm{m}

Колко кубични метра вода протичат през пласта за едно денонощие?

10. Водата под нас и ледът над нас

0 / 5

🗑️ Сметището и кладенецът

На 300 m над кладенец, по посока на течението на подземната вода, е изхвърлен отпадък. Пластът е от пясък с K = 10⁻⁴ m/s и ефективна порестост 0,25, а водното ниво пада с 4 m на километър. След колко години замърсяването ще стигне до кладенеца?

⛲ Самоизливащият се кладенец

Пиезометричното ниво на напорен пласт е на 150 m надморска височина, а теренът при кладенеца – на 132 m. До каква височина над терена би се вдигнала водата в тръба? Какво налягане показва манометър на затворения кран на кладенеца (ρ = 1000 kg/m³, g = 9,81 m/s²)?

🏖️ Кладенецът до морето

Кладенец до брега е дълбок 40 m под морското ниво. Водното ниво в него е 1,2 m над морското. През лятото помпите на хотелите свалят нивото с 0,3 m. На каква дълбочина е границата със солената вода преди и след това? Ще стане ли водата солена?

🧊 Ако се стопи Гренландия

Ледът на Гренландия е около 2,9 млн. km³ с плътност около 0,92 g/cm³. Площта на Световния океан е 361 млн. km². С колко метра би се вдигнало морското ниво, ако целият лед се стопи?

♨️ Откъде идва горещата вода

В Сапарева баня от сондаж излиза вода с около 103 °C. Ако температурата на повърхността е 10 °C и в земната кора тя расте с около 30 °C на километър, от каква дълбочина най-малко идва водата?

Зелено – решена сам(а), жълто – с решението. Десетичните числа може да пишеш със запетая.

11. ⚠️ Чести грешки

Подземни реки

✗ Подземната вода тече в подземни реки и езера.

✓ Почти навсякъде тя е в порите и пукнатините на скалите; истински подземни реки има само в карстови пещери.

Порестост и пропускливост

✗ Колкото по-пореста е скалата, толкова по-добре пропуска вода.

✓ Глината е по-пореста от пясъка, но е водоупор – порите ѝ са твърде дребни.

Артезианските води

✗ Артезианската вода блика, защото е под налягане от газове.

✓ Налягането е от водата в пласта по-нагоре – подхранването е по-високо от кладенеца.

Скоростта по Дарси

✗ $\displaystyle q = K i$ е скоростта на водата.

✓ Водата минава само през порите, затова е по-бърза: $\displaystyle v = K i / n_e$ .

Солените кладенци

✗ Морската вода прониква само в кладенци до самия бряг.

✓ Всеки метър спадане на нивото вдига солената вода с около 40 m – засоляват и кладенци навътре в сушата.

Морският лед

✗ Топенето на арктическия морски лед вдига океана.

✓ Плаващият лед почти не мени нивото; вдига го ледът на сушата и разширяването на затоплената вода.

12. 🎯 Бърз тест

1 / 9

✓ 0

Къде е по-голямата част от сладката вода на Земята?

Избери отговор (или натисни 1–4)

13. 📝 Задачи за упражнение

0 / 0

Ниво А· Областен кръг

Ниво В· Национален кръг

Ниво С· Международна олимпиада

14. Обобщение

✓ Сладката вода е около 2,5% от водата на Земята; около 69% от нея е лед, около 30% – подземни води
✓ Под зоната на аерация е зоната на насищане; границата им е нивото на подземните води
✓ Порестостта и водопропускливостта са различни неща: глината е пореста, но е водоупор
✓ Безнапорните води имат свободно ниво; напорните са между водоупори и в кладенеца се вдигат до пиезометричното ниво
✓ Законът на Дарси: $Q = K A\,\Delta h / L$ , а действителната скорост е $v = K i / n_e$
✓ При брега сладката вода стига около 40 пъти по-дълбоко под морското ниво, отколкото нивото ѝ е над него
✓ Температурата в кората расте с около 30 °C/km – оттам идват термалните води; България е много богата на минерални извори
✓ Сняг → фирн → лед; линията на равновесие дели зоната на натрупване от зоната на топене
✓ Ледените щитове на Антарктида и Гренландия биха вдигнали морето с около 58 и 7 m

💡 Интересен факт

Под пустините на Либия, Египет, Судан и Чад лежи Нубийският пясъчников водоносен пласт – един от най-големите в света. Водата в него е паднала като дъжд преди десетки хиляди години, когато Сахара е била зелена. От 80-те години Либия я изпомпва от кладенци сред пустинята и я пренася с хиляди километри тръби до крайбрежните градове – проектът е наречен „Голямата изкуствена река“. Но това е „изкопаема“ вода: днес пластът почти не се подхранва и всеки изпомпан кубичен метър намалява запаса завинаги.