Основные законы движения подземных вод

Введение

 

Воды, находящиеся в верхней  части земной коры и залегающие ниже поверхности земли, называют подземными. Исследованием подземных вод  занимается гидрогеология.

Подземные воды – один из основных существующих и перспективных  источников водоснабжения. В сравнении  с поверхностными водами (реки, озёра, водохранилища) они обладают, как  правило, более высоким  поверхностных загрязнений и повсеместно распространены.

В настоящее время около  40%  всего объёма вод, используемых для хозяйственно-питьевого водоснабжения  в нашей стране, приходится на долю подземных вод.

Однако подземные воды не только ценнейший источник водоснабжения, но и фактор, осложняющий строительство. Особенно сложным является производство земляных и горных работ в условиях притока подземных вод, затапливающих  котлованы, карьеры, траншеи. Подземные  воды ухудшают механические свойства рыхлых и глинистых пород, могут  быть агрессивной средой для металлических  и бетонных сооружений, способствуют образованию неблагоприятных инженерно-геологических  процессов и т. д.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 Происхождение подземных  вод

 

Существуют две основные теории происхождение подземных  вод: инфильтрационная и конденсационная.

Инфильтрационная теория объясняет образование подземных вод просачиванием (инфильтрацией) вглубь Земли атмосферных осадков и поверхностных вод.

Питание подземных вод  инфильтрационным путём изменчиво  во времени и определяется природными условиями района: рельефом, водопроницаемостью пород, растительным покровом, деятельностью  человека и т.д.

Для определения величины инфильтрационного питания ( необходимо знать интенсивность инфильтрации атмосферных осадков ( и испарения :

 

 

При понижении уровня подземных  вод испарение с их поверхности  уменьшается, а на некоторой глубине  становится равной нулю. В этих условиях величина инфильтрационного питания  подземных вод возрастает.

Конденсационная теория предполагает возникновение подземных вод в связи с конденсацией водяных паров, которые проникают в поры и трещины из атмосферы. Многочисленные экспериментальные исследования показали, что атмосферная вода может проникать в горные породы как в капельножидком состоянии, так и в виде пара (в меньших количествах).

Инфильтрационный путь образования  подземных вод является основным для подземных вод, залегающих в  зоне активного водообмена, в районах с достаточно высоким количеством атмосферных осадков. В районах с небольшим их количеством (пустыни, сухие степи) роль конденсации водяных паров в образовании и питании подземных вод существенно возрастает.

Минерализованные (солёные) воды глубоких зон земной коры, находящиеся  в зоне замедленного и весьма замедленного водообмена, имеют седиментационное происхождение. Эти воды образовались после отложения (седиментации) древних морских осадков и последующего отжатия из них воды вследствие уплотнения пород.

Воды земной коры постоянно  в течение длительного геологического времени пополняются ювенильными  водами, которые возникают в глубине  за счёт кислорода и водорода, выделяемых магмой. Прямой выход на поверхность Земли в виде паров и горячих источников ювенильные воды имеют при вулканической деятельности.

 

 

2 Общие понятия о движении подземных вод

Подземные воды в большинстве  случаев находятся в движении. Раздел гидрогеологии, изучающий закономерности движения подземных вод, называется динамикой подземных вод.

Законы движения подземных  вод используются при гидрогеологических расчётах водозаборов, дренажей, определения  запасов подземных вод и т. д.

Подземные воды могут передвигаться  в горных породах  как путём инфильтрации, так и фильтрации. При инфильтрации передвижение воды происходит при частичном заполнении пор воздухом или водяными порами, что обычно наблюдается в зоне аэрации. При фильтрации движение воды происходит при полном заполнении пор или трещин водой. Масса этой движущейся воды создаёт фильтрационный поток.

Движение подземных вод  может быть установившимся и неустановившимся, напорным и безнапорным, ламинарным и турбулентным.

При установившемся движении все  элементы фильтрационного потока(скорость, расход, направление и др.) не изменяются во времени. во многих случаях эти изменения настолько малы, что для практических целей ими можно пренебречь.

Фильтрационный поток  называется неустановившимся, если основные его элементы изменяются не только от координат пространства , но и от времени.

Подземный поток становится переменным, т. е. приобретает неустановившийся характер движения под действием  различных естественных и искусственных  факторов (неравномерная инфильтрация, атмосферных осадков, откачка воды из скважины, сброс сточных вод  на поля фильтрации и т. д.)

По гидравлическому состоянию  различают безнапорные, напорные и  напорно-безнапорные потоки подземных  вод.

Для безнапорных потоков  характерно неполное заполнение водой  поперечного сечения водопроницаемого пласта. Безнапорные потоки имеют  свободную поверхность, движение воды в них происходит под действием  силы тяжести, режим фильтрации –  жёсткий.

Напорные потоки характеризуются полным заполнением поперечного сечения водопроницаемого пласта водой, имеется пьезометрический уровень, движение воды происходит как под действием силы тяжести, так и за счёт упругих свойств воды и водовмещающих пород, режим фильтрации – упругий.

 

Рис. 1 Потоки грунтовых вод.

а- плоский; б- радиальный (расходящийся); в- радиальный (сходящийся)

Напорно-безнапорные потоки образуются при откачке воды из скважин, если пьезометрический уровень опускается ниже кровли напорного водоносного  пласта.

Движение подземного потока может быть ламинарным и турбулентным. При ламинарном движении струйки  воды передвигаются без завихрения, параллельно друг другу. Ламинарный характер движения воды наблюдается  не только в пористых, но и в трещиноватых породах с коэффициентом фильтрации 300-400 м/сут.

В породах с крупными трещинами  и пустотами, с коэффициентом  фильтрации более 300-400 м/сут, а также в хорошо промытых галечниках движение воды в отдельных случаях носит вихревой характер, или турбулентный. Этот тип движения в горных породах наблюдается сравнительно редко.

При известных допущениях фильтрационные потоки в плане можно  рассматривать как плоские или  радиальные.

Плоским называется поток  подземных вод, в  котором струйки  направлены более или менее параллельно  друг другу.

Радиальный поток отличается различным направлением струек: сходящимся и расходящимся. примером радиального потока может служить движение грунтовых вод при откачке воды из скважины (рис. 1).

Фильтрационные подземные  потоки как в плане, так и в разрезе имеют естественные границы. Границами напорного потока в разрезе служат нижний и верхний водоупор, а безнапорного  - водоупор (снизу) и свободная поверхность (сверху). Границей потоков в разрезе может быть также плоскость раздела пород с различной водопроницаемостью.

Границами подземного потока в плане, т. е. боковыми границами, являются реки, озера, каналы и др. поверхностные  водотоки и водоёмы, дренирующие  или питающие подземные воды, а  также контакты водоносных пород  с окружающими породами иной водопроницаемости. Возможны водонепроницаемые границы, например, контур водоупорных глин. Реальные очертания границ потоков  подземных вод весьма сложны.

 

3 Основной закон движения подземных вод

Движение подземных вод  происходит при наличии разности гидравлических напоров (уровней). Воды движутся от мест с более высоким  напором (уровнем) к местам с низким напором (рис. 2)

Чем больше разность напоров  ∆Н = Н₁-Н₂, тем скорость движения подземных вод будет выше. Отношение разности напоров ∆Н к длине пути фильтрации называют напорным или гидравлическим градиентом  . Градиент напора – величина безмерная.

Фильтрация в полностью  водонасыщенных грунтах при ламинарном режиме движения подчиняется закону Дарси.

где Q – расход воды или  количество фильтрующей воды через  поперечное сечение F в единицу времени, м³/сут; k – коэффициент фильтрации, м/сут; F – площадь поперечного сечения потока воды или водоносного пласта, м²; ∆Н – разность напоров, м; - длина пути фильтрации, м; I – напорный градиент.

 

 

Рис. рис. 2 Схема движения (фильтрации) грунтовой воды

Разделив обе части  уравнения на площадь сечения F и  используя понятие скорости фильтрации , т.е. отношение расхода Q к площади поперечного сечения потока, т.е. = Q/ F, получаем

Из этого выражения  закона Дарси следует, что скорость фильтрации пропорциональна напорному  градиенту в первой степени (при  ламинарном движении).

Закон Дарси в дифференциальной форме имеет вид

Знак минус означает, что  по пути движения значение напора уменьшается.

Если принять, что I = 1, то уравнение получает вид или , т.е. коэффициент фильтрации – это скорость фильтрации при напорном градиенте, равном единице. Поэтому размерность коэффициента та же, что и скорость фильтрации воды, т.е. м/сут, см/с и т. д.

Скорость фильтрации по формуле  = Q/ F не отвечает действительной скорости движения воды в породе. Это связано с тем, что в формулу входит величина F, отражающая все сечение фильтрующейся породы, а вода, как известно, течёт лишь через часть сечения, равную площади пор и трещин породы. Поэтому величина является кажущейся.

Действительную скорость движения воды определяют с учётом пористости породы

где n – выраженная в долях единицы.

Так как величина пористости всегда меньше единицы, то действительная скорость движения воды всегда значительно  выше скорости фильтрации (примерно в 3-4 раза). Например, в галечниках при n = 0,25 действительная скорость движения п. в. будет в 4 раза выше скорости фильтрации. В глинистых породах часть  пор занята связанной водой и  вода передвигается только через  открытые поры, поэтому в данном случае в формулу вводят не n, а n_акт (активную пористость).

Закон Дарси, или линейный закон фильтрации, справедлив для  преобладающего числа случаев фильтрации в самых разнообразных породах, поэтому его называют основным законом  движения подземных вод. Однако закон  Дарси не является всеобщим.

Движение турбулентного  потока не подчиняется закону Дарси. Для выражения фильтрации воды в  породах с крупными пустотами  и трещинами, в хорошо промытых галечниках при турбулентном режиме служит уравнение  А.А. Краснопольского, характеризующее  нелинейный закон фильтрации

,

где - коэффициент, определяемый опытным путём в поле.

Переход ламинарного движения в турбулентное является основной причиной отклонения закона Дарси. Происходит это при критическом значении градиента напора , величина которого зависит от размера и формы пор и трещин, по которым движется вода. Величина определяет верхний предел закона Дарси.

Нижний предел применимости закона Дарси наблюдается при  очень малых скоростях фильтрации. В последние годы было экспериментально доказано, что зависимость между  скоростью фильтрации и напорным градиентом в малопроницаемых грунтах (глина, торф) имеет несколько другой вид, чем уравнение Дарси, а именно:

где

- начальный  градиент  фильтрации.

 

 

 

 

 

 

 

Заключение

Воздействие хозяйственной деятельности человека на подземные воды приводит к необходимости рассмотрения сложных  расчётных схем, поэтому, помимо аналитических  методов расчёта, широко используются методы математического моделирования  с применением аналоговых приборов и цифровых ЭВМ. Это позволяет  проводить гидрогеологические расчёты  с возможно более полным учётом природной  обстановки и всех действующих факторов. Для решения стационарных задач, как правило, используют сплошные электрические  модели из электропроводной бумаги, а  для решения нестационарных задач  — гидроинтеграторы и сеточные электроинтеграторы на активных сопротивлениях (сетка  Либманна) и на активных сопротивлениях с ёмкостями (сетка R — С).

Наряду с решением прямых гидрогеодинамических задач, в которых даётся прогноз  режима и баланса подземных вод, в Д. п. в. рассматриваются решения  обратных задач — восстановление параметров фильтрационной схемы по данным о режиме подземных вод (например, при многолетней работе крупных  водозаборов подземных вод, в  районах водохранилищ, карьеров). Важное значение для изучения загрязнения подземных вод, обоснования гидрогеохимических методов поисков полезных ископаемых приобретает новое направление, изучающее физико-химические процессы, происходящие при взаимодействии подземных вод с вмещающими их горными породами.

 

 

Список использованной литературы

 

1. В.П. Ананьев, А. Д. Потапов «Инженерная геология»

Москва «Высшая школа» 2002 год.

2. Мироненко В.А. Динамика подземных вод. – М.: Издательство Московского государственного горного университета, 2005.

3.  Всеволожский В.А. Основы гидрогеологии. М.: Издательство МГУ, 2007.