Основы динамики подземных вод

Динамика подземных вод изучает теоретические основы и закономерности движения подземных вод под влиянием естественных и искусственных факторов.

Естественные факторы: метеорологические (количество осадков, температура), гидрогеологические (сезонные колебания уровней), биологические (транспирация), геологические (сейсмические, обвально-оползневые).

Искусственные факторы - строительство водохранилищ, водоснабжение, водопонижение при разработке месторождений, орошение.

3.1 Классификация потоков и виды движения подземных вод

Передвижение воды в горных породах зависит от водных свойств горных пород и степени насыщенности их водой. Различают два режима движения подземных вод: негравитационное – движение парообразной влаги (от слоя с большей температурой к слою с меньшей температурой), движение физически связанной воды (от более влажных к менее влажным), движение воды в капиллярах (под действием поверхностных сил).

Факторы негравитационного движения - размеры частиц, величина диаметров пор, температура воды, концентрирование воды, концентрация порового раствора.

Гравитационное движение обусловлено действием сил тяжести и происходит в зонах аэрации и насыщения при наличии разности напоров и уклонов.

В породах, находящиеся в состоянии максимального смачивания происходит просачивание (инфильтрация) воды.

В породах, полностью заполненных водой, ниже зеркала подземных вод в зоне полного насыщения при наличии напора происходит фильтрация воды.

Фильтрация воды происходит по порам, трещинам и пустотам. По порам вода движется в виде отдельных параллельных капель или струй без разрыва сплошности потока - ламинарное. Ламинарное движение медленное.

Движение воды по пустотам, крупным тектоническим нарушениям с большими скоростями с вихреобразными движениями называется турбулентным.

Различают также установившееся (стационарное) движение воды с постоянными скоростями, мощностью и уровнем и неустановившееся движение с изменяющимся режимом.

Движение воды в подземном потоке может быть равномерным и неравномерным. Равномерное - скорость фильтрации во всех сечениях одинакова, неравномерное - скорость изменяется по длине потока. Равномерное движение свойственно потоку напорных вод по пласту постоянной мощности и в безнапорных водах, когда уклон водоупора численно равен напорному градиенту. При неравномерном движении подземных вод напорный градиент изменяется по длине потока.

3.2 Основные гидродинамические элементы водного потока

Основными гидродинамическими элементами водного потока: дебит, удельный дебит, напорный градиент, скорость фильтрации, коэффициент фильтрации.

Дебит (Q) – количество воды, поступающей в единицу времени из естественного или искусственного (колодца, скважины, горной выработки) источников, в единицу времени (л, м³ / секунду, час, сут.).

Дебит колодца определяется коэффициентом фильтрации водоносных пород, их мощностью, величиной понижения уровня (напора) воды в скважине, запасами воды в водоносном горизонте и конструкцией фильтра.

При ламинарном движении дебит подчиняется закону Дарси: количество воды, фильтрующееся через поперечное сечение водопроницаемой толщи пород прямо пропорционально этому сечению, коэффициенту фильтрации, разности уровней воды, отнесенной к высоте слоя (l):

(3.1)

Движение воды происходит при разности уровней ее в двух сечениях (рисунок 3.1). Разность уровней (Н₁-Н₂) создает напор, под действием которого вода из сечения I движется в направлении сечения II.

Отношение называют гидравлическим уклоном (напорным градиентом), показывающим величину падения напора на единицу длины пути фильтрации

(3.2)

Подставив вместо. , получим следующее выражение закона Дарси: Q = k^.F^.I (3.3)

где АВ – уровень подземных вод;

А₁В₁ – водоупорная почва;

h – напор;

Н₁ – уровень воды в сечении I;

Н₂ – уровень воды в сечении II

Рисунок 3.1 – Разрез участка подземного потока.

Скорость подземного потока V зависит от напора и длины пути фильтрации l. Если обе части уравнения Дарси разделить на F (площадь сечения потока)

(3.4)

получим, что скорость фильтрации

(3.5)

Скорость фильтрации прямо пропорциональна коэффициенту фильтрации и гидравлическому уклону (напорному градиенту) в первой степени.

В действительности вода течет через часть сечения, равного площади сечения пор и трещин. Такая скорость движения называется приведенной (кажущейся).

Действительная скорость движения в порах породы равна расходу воды Q делённому на действительную площадь пор F_n (n – пористость породы в долях единицы) ,м/с, где заменив значение на V, получим