Движение жидкостей и вод

Лекция №4

В зависимости от причин создания упоров, выделяют их несколько видов:

1)Гидростатический напор. Создаётся за счёт разностей уровней в различных частях водонасыщенной толщи. Вода при вскрытии стремится подняться до максимального уровняО, по принципу сообщающихся сосудов.

2) Литогеостатический напор. Возникает в результате уплотнения мощных глинистых толщ, сопровождается отжатием воды из глин в пласты коллекторы, в результате чего в них создаётся избыточное давление. Уплотнение пород при этом происходит в результате литостатического давления, которое оказывается выше лежащей площади пород

3)Тектонический напор.Создаётся при тектонических движениях, часто при напряжениях сжатия пород. Появляется при горообразовании и при землетрясении.

4)Термический напор. Возникает за счёт повышенных тепловых потоков. Вода при нагревании уменьшает плотность и стремится занять наиболее высокое положение

5)Антропогенныйтехногенный напор. Проявляется в результате закачки воды в недры под высоким давлением.

Газовый состав подземных вод

Газы в недрах присутствуют в свободных и растворённых состояниях, они могут быть связаны за счет молекулярных сил, с отрицательно заряженными частицами грунта. Количество растворённого в воде газа выражается в см³л или в гдм³. Сумма объёмов всех газов растворённых в воде называется газонасыщенностью. Максимальная газонасыщенность характерна для восходящих минеральных источников. Max газонасыщенность = 10^-4 – 10^-6 %. Среди газов: O2, H, СО2, СН4, H2S, N2. Растворимость газов в воде зависит от ряда факторов, главными из которых являются глубина залегания и давления. С их увеличением возрастает кол-во растворённых газов. С другой стороны с глубиной увеличивается минерализация воды, что ведёт к снижению растворимости газов. Для большинства газов с увеличением температуры до 100°С газорастворимость снижается, при дальнейшей области температуры она увеличивается. Процессы газообразования идут повсеместно. Генетически все природные газы смешанные. Газовый состав является одним из классификационных признаков при систематике минеральных вод.

Классификация столово-минеральных вод:

1)Воды с газом окислительной обстановки

2)Воды с газом восстановительной обстановки

3)Воды с газами метаморфической обстановки

4)Воды с радиоактивными веществами

Движение жидкости и газов в порах и трещинах горных пород называется фильтрацией. Движение воды в пористой среде рассматривается обобщённо для всего поперечного сечения фильтрующей среды в целом. При этом важнейшей характеристикой движения воды в пористой среде является скорость фильтрации. Скорость фильтрации может быть охарактеризована количеством воды, которое протекает в единицу времени, через единицу площади поперечного сечения пористой среды. Обозначив объёмный расход воды, фильтрующейся в еденицу времени через Q, а площадь сечения через F, мы получаем V=QF - скорость фильтрации.

Выделяют установившийся и неустановившийся режим движения поземных вод:

- Установившееся движение подземных вод, это движение при котором остаются неизменными во времени все гидравлические параметры. Это направление движения, скорость движения, расход и напор.

-Неустановившееся движение это движение при котором направление, расход, скорость, напор непрерывно изменяются во времени.

Водоносный горизонт, через который идёт фильтрация воды называется фильтрационным потоком, который характеризуется рядом гидродинамических элементов. Основными из них являются: пьезометрический напор, напорный градиент, линии тока, линии равных напоров.

Пьезометрический напор – это давление столба воды, в рассматриваемой точке, над водоупорной кровлей напорного водоупорного горизонта.

Напорный градиентперепад напора – создаётся за счёт того, что при движении воды через поры горных пород часть напора теряется на трение, что создаёт уклон поверхности грунтовых вод в сторону их движения.(т.е. разность напоров)

Линии тока – это такие воображаемые линии, касательные в любой точке к которым совпадает с направлением вектора скорости в этой точке.

При установившемся движении, в каждой из точек фильтрационного потока скорости остаются постоянными во времени. По величине и направлению они также постоянны, следовательно постоянными будут и линии тока. При установившемся режиме, линии тока совпадают с траекторией движения частиц жидкости.

При неустановившемся режиме – скорость частиц в каждой точке изменяется по величине и направлению. Значит и линии тока изменяются. В данном случае они не совпадают с траекторией движения частиц, а отражают их движение.

Линии перпендикулярные линиям тока называются линиями равных напоров. А их проекции на горизонтальную плоскость представляют собой гидроизогипсы.

Движение подземных вод в горных породах может быть ламинарным или турбулентным. Ламинарное движение .

Чаще всего движение в пористой среде соответствует ламинарному режиму. Турбулентный режим встречается редко(характерен для карстовых вод)

Ламинарное движение подземных вод в горных породах водчиняется линейному закону фильтрации, который экспериментально установил в 1856г французский гидравлик Андри Дарси. Он проводил опыты по фильтрации воды в целиндре заполненном песком. Установил, что количество воды Q, фильтрующейся через фильтр в еденицу времени, прямопропорционально площади сечения F, разности уровней (дельта H), под действием которых проходит фильрация. И обратнопропорциональна длине пути фильтрации.

k- коэфицент пропорциональности, зависящий от физических свойств породы и фильтрующейся жидкости и называемый коэфицентом фильтрации.

Отношение дельтаН к дельтаL по пути фильтрации называется напорным градиентом.

Коэфицент фильтрации является основным показателем водопроницаемости пород пород. Используется как классификационный признак. Горные породы делятся на:

1)Водопроницаемый. Коэфицент фильтрации больше одного метра в сутки

2)Слабопроницаемые. От одного до 1^-4

3)Водонепроницаемые породы. До 1^-10

Методы определения коэфицента фильтрации включают три группы: Расчётные, лаболаторные и полевые.

Расчётные меры определяют кофицент филтрации эмпирическим путём. Формулы Газина, Крюгера, Слихтера и др.

Лаболаторные методы основаны на установке дарси.

Полевые методы: методы откачки и наливы.

Расчёт коэфицента фильтрации для грунтового совершенного колодца

Своершенным называется колодец полностью прошедший водоносные породы и остановленный в подстилающем их водоупоре.

Q – расход колодца, R – радиус депрессионной воронки, сформировавшейся при откачке, r – радиус колодца или скважины, H - мощность водоносных пород. S – уровень понижения грунтовых вод.

Лекция № 5

Типы подземных вод по Саморенскому

Грунтовые воды –это подземные воды, первого от поверхности, постоянно существующего водоносного горизонта, расположенного на первом водоупорном слое. Поверхность грунтовых вод называется зеркалом или скатертью.

Относительно однородные по литологическим особенностям и водным свойствам пласты горных пород содержащие грунтовые воды, называются водоносным горизонтом или водоносным пластом. Водонепроницаемая порода, подстилающая водоносный пласт, называется водоупором или водоупорным ложем. Мощность водоносного горизонта, определяется расстоянием от уровня грунтовых вод до кровли подстилающего водоупорного пласта.

Грунтовые воды часто имеют слабо волнистую поверхность, с уклоном в сторону оврага или речной долины. Движущиеся в сторону понижения грунтовые воды, образуют грунтовый поток. Участки с горизонтальной поверхностью грунтовых вод, называются бассейнами грунтовых вод. Являются нисходящими, поэтому образуют источники грунтового типа. Грунтовый поток, плавно понижающийся к месту разгрузки(место выхода грунтовых вод на поверхность в виде источника или их разгрузки в какие то водотоки) образует криволинейную поверхность, называемой депрессионной поверхностью. Связь между грунтовыми и поверхностными водами может быть различной.

В районах с влажным и умеренным климатом грунтовые воды, как правило питают речные воды

В районах с засушливым климатом, нередко грунтовые воды питаются за счёт поверхностных

Карст - процесс растворения и механического разрушения растворимых в данной обстановке горных пород подземными и русловыми водами. Необходимы 4 условия:

1)Наличие в данной обстановке растворимых горных пород. Гипсы, ангидриты, известняки, доломиты, мрамор, соляные породы

2)Водопроницаемость этих пород. Т.е. наличие трещиноватости, пористости и т.д.

3) Наличие движущейся воды

4)Способность этой воды растворять. Воды должна быть не насыщена растворяемыми солями.

Артезианские воды –подземные воды, находящиеся в водоносных горизонтах или комплексах, перекрытых и подстилаемых водоупорными или относительно водоупорными пластами. Эти воды обладают напором, которые обуславливают подъём уровня вод над кровлей, при вскрытии скважинами или другими выработками.
По условиям залегания выделяются артезианские бассейны, артезианские склоны, субартезианские бассейны и напорные воды в зонах крупных тектонических разломов.

Артезианский бассейн – это совокупность артезианских водоносных горизонтов или комплексов, залегающих в тектонических синклинальных структурах.

Синклинальные структуры – это структуры, понижения.

В каждом артезианском бассейне выделяют три области.

Питание происходит из нижележаих или вышележащих водоносных горизонтов. Грунтовые воды могут питаться артезианскими водами и артезианские могут питаться грунтовыми.

Очаги разгрузки делятся на естественные(в реки) и искусственные(искуственные Водозаборные сооружения)

Область распространения напора – это основная часть развития артезианского бассейна, для которой характерен пьезометрический напор.

Артезианский склон – это асвоеобразный симметричный бассейн напорных подземных вод, встречаемый обычно в моноклинально залегающих водоносных горизонтах и выклинивающийся по мере погружения. Также возникновение артезианских склонов может быть связано с изменением литологических особенностей водоносных пород.

Субартезианские воды – к ним относят подземные воды не обладающие постонянным напором

Лекция. Расчет расхода потока. Водозаборные сооружения. Режим подземных вод

1. Расчет расхода потока.

2. Водозаборные сооружения.

3. Режим подземных вод.

Единичный расход – это расход потока шириной, равной единице (1 м и т.п.). Для грунтовых вод, исходя из Q=K*F*I, можно записать Q=K*B*h_ср*I, где B – ширина потока, м и h_ср – средняя высота (мощность) потока, м. Если B=1, то можно записать единичный расход: q= K*h_ср*I, или q= м³/сут. – для грунтовых вод, для напорных вод формула следующая: , м³/сут. Эти формулы применимы для плоских потоков, в которых линии токов ориентированы параллельно друг другу. Перпендикулярно им расположены линии равных напоров (гидроизогипсы для грунтовых вод и гидроизопьезы для артезианских). Совокупность линий равных напоров и токов составляет гидродинамическую сетку – сетку движения подземных вод.

Радиальный поток характеризуется линиями токов, расходящихся или сходящихся по радиусам. Линии равных напоров образуют концентры. Подобные случаи возникают при нагнетании вод в скважину или при откачках. В практике используется построение кривой депрессии, позволяющей определить отметки поверхности потока в любой его точке между двумя скважинами или любыми произвольными сечениями.

Под водозаборными сооружениями понимаются инженерные сооружения по забору подземных вод или воды из реки и водохранилища в водопроводные, оросительные, гидроэнергетические и другие системы. Водозаборы подземных вод устраивают в виде одиночных скважин или колодцев, системы скважин или колодцев, подземных водосборных галерей, сооружаемых для каптажа родников. Колодцы по способу их проходки делятся на копанные, забивные, буровые. По характеру напора они могут быть грунтовые или артезианские. По глубине заложения: совершенные (прошли водоносный пласт до нижнего водоупора) и несовершенные (вскрыли водоносный пласт не полностью). Поступление воды в несовершенный колодец осуществляется через дно и стенки (или только через дно), в совершенный колодец вода поступает только через стенки.

Наиболее ответственной частью забивных и буровых колодцев является фильтр. Каркасы для фильтров могут быть деревянными, керамическими, стеклянными, металлическими, последние употребляются наиболее часто. Размер фильтра определяется конечным диаметром скважин. В практике в качестве фильтра обычно используется металлическая трубка с отверстиями круглого (размером 1-2 см) или прямоугольного (размером 0,8-1,5 см) сечения. Количество отверстий на 1 пог. м. трубы 800-500 штук в зависимости от ее диаметра. Чтобы в скважину не попал песок, перфорируемую трубу покрывают фильтровальной сеткой. Размеры сетки подбираются так, чтобы через нее просеивался грунт водоносного горизонта в сухом состоянии в количестве до 40% от общего его объема. При таком выносе из водоносного горизонта вокруг фильтра образуется хорошо проницаемый грунт, не создающий больших сопротивлений при движении воды к скважине.

Приток воды к совершенному грунтовому колодцу. В основе расчетных формул лежит закон Дарси. Дебит грунтового совершенного колодца при однородном грунте определяется по формуле Дюпюи:

, м³/сут., где

Н – мощность водоносного горизонта, м;

h – мощность слоя воды в скважине при откачке, м;

R – радиус влияния, м;

r – радиус скважины, м;

K – коэффициент фильтрации, м/сут.;

Q – дебит, м³/сут.

Расчет радиуса влияния скважины. Радиус влияния определяется по формуле Кусакина:

, м, где

47 и 6 – эмпирические коэффициенты;

K – коэффициент фильтрации, м/сут.;

H – мощность водоносного горизонта, м;

T – время с начала откачки, часы;

µ - коэффициент водоотдачи грунта.

Приток воды к артезианскому совершенному колодцу. Расчет ведется с использованием формулы Дюпюи:

, а так как H-h=S, то формулу можно записать в виде:

, м³/сут.

В напорных водоносных горизонтах депрессионная воронка может находиться выше кровли водоносного горизонта.

Зависимость дебита от понижения. Дебит артезианского совершенного колодца изменяется прямо пропорционально понижению уровня Q=qS, где Q – дебит артезианской скважины, м³/сут.; q – удельный дебит скважины (дебит при понижении на 1 м, м³/сут.); S – понижение уровня воды в скважине при откачке, м. При понижениях уровня воды в скважине, не превышающих 25% от величины напора, на графике зависимости дебита от понижения значения q расположатся на прямой линии. При больших понижениях увеличивается сопротивление движению воды в водоносном пласте. В этом случае дебит будет меняться не пропорционально понижению и зависимость будет более сложной.

Режим подземных вод. Под режимом подземных вод понимают непрерыв­ный процесс изменения во времени их ресурсов, физиче­ских свойств, химического и газового состава под влия­нием совокупности взаимодействующих и изменяющих­ся во времени естественных факторов.

К естественным (природные) факторам, определяю­щим режим подземных вод, относятся климатические, геологические, гидрогеологические, почвенные, биогенные и др.

Искусственные факторы оказывают влияние на ре­жим подземных вод на участках хозяйственной деятель­ности человека: массивах орошения и осушения земель, строительства водохранилищ и других водоемов. Влия­ют также эксплуатация подземных вод для целей во­доснабжения, борьба с подземными водами при эксплуа­тации месторождений полезных ископаемых, искусст­венное пополнение запасов подземных вод и многие дру­гие факторы.

Режим подземных вод, определяемый только природ­ными факторами, называют естественным (ненарушенный), а если на его формирование существенное влия­ние оказывают искусственные факторы — искусствен­ным (нарушенный).

Основные изменения, которым подвержены подземные воды, следующие.

1. Эпизодические, связанные с изменением кратковременных явлений природы: выпадением осадков, таянием снега, изменением температуры и т.д.

2. Суточные, связанные с изменением температуры и влажности воздуха в течение суток.

3. Сезонные, наиболее закономерные, обусловленные изменением температуры, количества осадков, величины испарения и т.д. по сезонам года.

4. Годовые, обусловленные количественными различиями в метеорологическом режиме в различные годы, например, сухие и влажные, теплые и холодные годы.

5. Многолетние, связанные со многими причинами. Одной из них является изменение солнечной активности. Активность на солнце не постоянна и подвержена периодическим колебаниям с периодами 11 лет, 22 года, 100 лет и др. Изменение активности солнца сказывается на многочисленных явлениях на Земле, например, установлено, что уровень колебаний грунтовых вод в Средней Азии имеет период колебаний 11 лет, этот факт связывают с деятельностью Солнца.

6. Геологические, связанные с изменением физико-географических условий на Земле, происходящие в течение геологического времени, с перемещением бассейна реки, изменением соотношений горных и равнинных областей, климатических условий и т.д.

Лекция. Основные принципы гидрогеологического районирования

1. Гидрогеологические структуры

2. Принципы гидрогеологического районирования территории

3. Краткая гидрогеологическая характеристика Пермского края

1. ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИЕ СТРУКТУРЫ – название геологических структур, с которыми связаны тип, характер распространения и накопления подземных вод, условия их залегания, режим, запасы, ресурсы и т.д. Вода в силу своей подвижности заполняет геологическое пространство по трещинам, пустотам, порам и не может самостоятельно образовывать пространственные структуры. Поэтому правильнее говорить не о гидрогеологических, а о тектонических или геологических структурах, с которыми связаны резервуары, горизонты, комплексы и зоны подземных вод. Структуры тектонические 1 порядка - материки, океаны и зоны переходные между ними. Структуры тектонические 2 порядка - платформы (например, Восточно-Европейская), области складчатые (Алтае-Саянская), области геосинклинальные (Курило-Восточнокамчатская), в пределах океанов -талассократоны, пояса срединно-океанические. Структуры тектонические 3 порядка - в складчатых областях - складчатые системы (Уральская), срединные массивы (Омолонский), межгорные впадины; на платформах - антеклизы, синеклизы, авлакогены и др. Гидрогеологические структуры, соответствующие синеклизам и антеклизам выделяются соответственно в качестве артезианских бассейнов и артезианских сводов. Гидрогеологические структуры складчатых областей выделяются в качестве гидрогеологических складчатых областей (например, Уральская) с гидрогеологическими массивами, адмассивами, адартезианскими бассейнами, адартезианскими сводами. Гидрогеологические массивы представлены трещинными водами пород преимущественно магматического происхождения. Адструктуры представлены водами трещинного типа преимущественно в метаморфических и метаморфизованных породах.

2. Региональная гидрогеология занимается изучением закономерностей условий формирования, залегания, распространения подземных вод, а также их качества, количества в различных регионах территории России.