Основы гидрогеологии

Фильтрационные потоки подземных вод различаются по характеру движения, гидравлическому состоянию, режиму фильтрации и т. д.

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 попе- речного сечения водопроницаемого пласта. Безнапорные потоки имеют свободную поверхность, движение воды в них происходит под действием силы тяжести.

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

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

Движение подземного потока может быть ламинарным и турбулентным.

При ламинарном движении струйки воды передвигаются без завихрений, параллельно друг другу. Ламинарный характер движения воды наблюдается не только в пористых, но и в трещиноватых породах с коэффициентом фильтрации до 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 или расходящимся. Примером радиального потока может служить движение грунтовых вод при откачке воды из скважины.

Решение задач о движении подземных вод, выбор метода гидрогеологического расчета и расчетной схемы производят на основе схематизации (упрощения) природных гидрогеологических условий. При этом учитывают основные особенности фильтрационного потока подземных вод (характер движения, гидравлические характеристики, фильтрационные свойства пород, границы водоносных горизонтов и т. д.).

В зависимости от степени учета особенностей потока подземных вод решение конкретных фильтрационных задач выполняется на основе простых или строгих аналитических или численных методов. В особо сложных случаях используют методы моделирования, что позволяет, особенно с помощью ЭВМ, наиболее полно учитывать сложные природные условия, а это повышает достоверность гидрогеологических прогнозов.

13. Закон Дарси и границы его применения

Закон Дарси (Анри Дарси, 1856) -- закон фильтрации жидкостей и газов в пористой среде. Исторически закон был получен А.Дарси экспериментально[1], но может быть получен с помощью осреднения уравнений Навье - Стокса, описывающих течение в масштабе пор[2] (в настоящее время имеются доказательства для пористых сред с периодической[3][4] и случайной[5] микроструктурой). Выражает зависимость скорости фильтрации флюида от градиента напора:

где: -- скорость фильтрации, -- коэффициент фильтрации, -- градиент напора[6].

Проверке и исследованию пределов применимости закона Дарси посвящено значительное число работ отечественных и зарубежных специалистов. В процессе этих исследований показано, что можно выделить верхнюю и нижнюю границы применимости закона Дарси и соответствующие им две основные группы причин.

1) Верхняя граница определяется группой причин, связанных с проявлением инерционных сил при достаточно высоких скоростях фильтрации.

2) Нижняя граница определяется проявлением неньютоновских реологических свойств жидкости, ее взаимодействием с твердым скелетом пористой среды при достаточно малых скоростях фильтрации.

Рассмотрим каждый из этих предельных случаев, которые приводят к нелинейным законам фильтрации.

Наиболее полно изучены отклонения от закона Дарси, вызванные проявлением инерционных сил при увеличении скорости фильтрации. Верхнюю границу применимости закона Дарси связывают обычно с некоторым критическим (предельным) значением числа Рейнольдса1

где d- некоторый характерный линейный размер пористой среды; v-кинематический коэффициент вязкости флюида

Многочисленные экспериментальные исследования и, в частности, опыты Дж. Фэнчера, Дж. Льюиса и К. Бернса, Линдквиста, Г. Ф. Требина, Н.М. Жаворонкова, М.Э. Аэрова и других были направлены на построение универсальной зависимости (по аналогии с трубной гидравликой) коэффициента гидравлического сопротивления l от числа Рейнольдса. Однако вследствие различной структуры и состава пористых сред получить такую универсальную зависимость не удается.

При обработке результатов экспериментов значительное внимание обращалось на такой выбор характерного размера поровой структуры, чтобы отклонения от закона Дарси возникали при одинаковых значениях числа Рейнольдса, и закон фильтрации в нелинейной области допускал универсальное представление.

Первая количественная оценка верхней границы применимости закона Дарси была дана более 60 лет назад Н. Н. Павловским, который, опираясь на результаты Ч. Слихтера, полученные для модели идеального грунта, и полагая характерный размер d равным эффективному диаметру dэф вывел следующую формулу для числа Рейнольдса

(1.11)

Использовав эту формулу и данные экспериментов, Н.Н. Павловский установил, что критическое значение числа Рейнольдса находится в пределах

Достаточно узкий диапазон изменения значений Reкр объясняется тем, что в опытах использовались не слишком разнообразные образцы пористых сред.

Для удобства обработки результатов многочисленных экспериментов различных авторов В. Н. Щелкачев предложил использовать безразмерный параметр, названный им параметром Дарси и определяемый равенством

Отсюда видно, что параметр Дарси представляет собой отношение силы вязкого трения к силе давления. Сравнивая равенство (1.12) и закон Дарси (1.7) (для случая горизонтального пласта, когда р* = р), можно утверждать, что если справедлив закон Дарси, то

Таким образом, равенство (1.13) должно выполняться при

Введение параметра упрощает исследование границы применимости линейного закона фильтрации. Действительно, если на оси абсцисс откладывать а по оси ординат то поскольку при графиком зависимости от будет прямая линия, совпадающая с осью абсцисс до тех пор, пока .

Как только на этом графике линия начнет отделяться от оси абсцисс, сразу же обнаружится нарушение закона Дарси (это соответствует значениям ). Значение при котором станет заметно отклонение упомянутой линии от оси абсцисс, и будет критическим значением. Для иллюстрации сказанного на рис. 1.5 на логарифмической сетке приведены зависимости от , представляющие результат обработки опытов по формулам В. Н. Щелкачева (табл. 1.1). Данные на этом графике соответствуют области нелинейной фильтрации для различных образцов пористых сред.

Основываясь на этих соображениях, В. Н. Щелкачев провел критический анализ и сравнение формул, полученных разными исследователями, для определения в подземной гидромеханике и оценки возможных критических значений числа Рейнольдса соответствующих верхней границе применимости закона Дарси. Результаты такого сопоставления приведены в табл. 1.1. В первых двух строках таблицы даны соответственно формулы для и коэффициента гидравлического сопротивления l, полученные разными авторами. В четвертой и пятой строках приведены соответственно критические значения полученные самими авторами, и их уточненные значения.

Наличие третьей строки табл. 1.1, в которой дано произведение объясняется следующим. В области линейного закона фильтрации справедливо равенство (1.13). Поэтому если произведение зависит только от параметра (см. графы 5-8 табл. 1.1), то оно имеет постоянное значение (не зависящее от свойств пористой среды) в случае, если И только в этом случае можно получить «универсальный» прямолинейный график в координатах соответствующий фильтрации различных флюидов через различные по свойствам пористые среды. Результаты обработки опытов подтверждают этот вывод.

14. Понятие жесткости воды; минерализация подземных вод. Формула Курлова

Вода - одно из наиболее важных и распространенных химических соединений на нашей планете. Она покрывает 80% поверхности Земли и содержится во многих ее объектах: входит в состав горных пород и минералов, присутствует в почве и атмосфере, содержится во всех живых организмах. Ее важность заключается в том, что она является регулятором климатических условий на земле и универсальным растворителем в процессах, происходящих как в живой, так и неживой природе. Хорошая растворяющая способность воды, обусловленная полярностью ее молекул, приводит к тому, что в природе она чаще всего встречается не в виде индивидуального химического соединения, а в виде сложной многокомпонентной системы, в состав которой входят минеральный вещества, газы, коллоидные и крупнодисперсные частицы, а также различные микроорганизмы. Растворенные в воде компоненты находятся друг с другом в равновесии, образуя комплексы различного состава.

Содержание или концентрация тех или иных компонентов в природной воде зависит от вида водоисточника, температуры, времени года и многих других факторов.

Природные водоемы, находящиеся вблизи промышленных центров, содержат еще и вещества, являющиеся результатом деятельности человека. Это выбросы шахт, заводов, фабрик. Большинство из них являются вредными веществами, делающими часто непригодными природные водоемы для жизнедеятельности человека.

Основными газами, содержащимися в природной воде, являются СО2, О2, СН, СО, Н2, N2. Следует отметить, что относительное содержание кислорода в воде выше, чем в воздухе.

Среди основных минеральных веществ, присутствующих в природной воде - гидрокарбонаты, сульфаты, хлориды кальция и магния. Их источником являются горные породы - известняки, доломиты, растворяющиеся в результате контакта с природной водой в ходе ее круговорота.

Наличие в воде растворенных веществ увеличивает температуру ее кипения и понижает температуру замерзания. Последнее используется широко в практике для предотвращения образования льда зимой: на дорогах рассыпают соль, понижая тем самым температуру замерзания воды.

15. Виды жесткости и единицы ее измерения

Воду с растворенными в ней солями называют жесткой, а совокупность свойств такой воды - жесткостью. Жесткая вода образует накипь на стенках паровых котлов, отопительных приборов и бытовой металлической посуды. Она не пригодна для производства бумаги и крашения тканей, для приготовления пищи и напитков. В жесткой воде не пенится мыло, плохо развариваются овощи и мясо.

Согласно ГОСТ 6055 - 86 различают:

карбонатную жесткость - это совокупность свойств воды, обусловленных присутствием в ней гидрокарбонатов кальция, магния и железа. Часто этот вид жесткости называют временной или устранимой;

некарбонатную жесткость - совокупность свойств воды, обусловленных присутствием в ней сульфатов, хлоридов, силикатов, нитратов и фосфатов кальция, магния и железа. Этот вид жесткости также называют постоянной или неустранимой;

общую жесткость, складывающуюся из карбонатной и некарбонатной жесткости. Она равна сумме концентраций ионов Са2+, Mg2+, Fе2+.

Количественно жесткость воды в России выражают единицами жесткости. За единицу жесткости принимают жесткость воды в одном литре которой содержится один миллимоль (ммоль) эквивалент ионов Са2+ или Mg2+. Числовое значение жесткости, выраженное в ммоль/л, совпадает со значением в моль/м3. Одна единица жесткости соответствует массовой концентрации ионов Са2+, равной 20, 4 мг/л или ионов Mg2+, равной 12, 15 мг/л.

По величине жесткости различают воду:

очень мягкую < 1, 5 единиц (ммоль экв/л);

мягкую 1, 5 - 3 единиц;

среднюю 3, 6 - 6, 0 единиц

жесткую 6, 0 - 9, 0 единиц

очень жесткую > 9, 0 единиц.

В своем движении по порам и трещинам в породах вода соприкасается с самыми разнообразными минеральными соединениями. Растворяя эти соединения, вода обогащается солями, становится минеральной. Увеличение солей в воде происходит также при подтоке морских вод и при отжатии воды из глин в результате их уплотнения под действием тяжести вышележащих слоев. Минерализация подземных вод может увеличиваться за счет растворения химических веществ, поступающих из магмы.

Пути формирования химического состава подземных вод названными процессами не ограничиваются, они очень разнообразны и сложны и до сих пор еще не выяснены окончательно. В зависимости от интенсивности физико-химических процессов и их длительности формируются подземные воды с минерализацией до 650 граммов солей на один литр воды.

Соли, растворимые в воде, вместе с воднорастворимыми органическими соединениями придают воде лечебные свойства.По общему количеству растворенных солей подземные лечебные воды различаются так:воды малой (2-5 г/л) минерализации; используются как столовые питьевые воды;воды средней минерализации (5-15 г/л), их пьют как лечебные;воды высокой (15-35 г/л) минерализации; «купальные» с раздражающими кожу свойствами;воды рассольные, с минерализацией 35-100 г/л, в бальнеологическом отношении - «купальные».

В недрах Магаданской области выявлены подземные воды самой различной минерализации. Среди населения наиболее известны источники горячих вод. Большей частью эти воды мало минерализованы и их бальнеологическая активность обусловлена отдельными растворенными компонентами.

Например, терапевтические свойства тальской воды зависят главным образом от наличия в воде соединений кремнезема, содержание которых достигает 150 мг/л. Специфические лечебные свойства придают этой воде также растворенные тяжелые и редкие металлы - литий, стронций, железо, германий, галлий, теллур и т. д.

Известны в Магаданской области и Мотыклейские минеральные источники. Мотыклейская вода представляет большую бальнеологическую ценность благодаря растворенному в ной хлористому кальцию.

Несколько горячих источников дают воду с высокой минерализацией. На Охотском побережье имеется только один такой источник - Таватумский - с минерализацией 15,2 г/л. На Чукотском полуострове три источника с минерализацией от 15 до 35 г/л (Кивакский, Чаплинский, Нешканский).

Менее известны широкому кругу населения проявления холодных минеральных вод. Уникальный источник подземной воды, в составе которого обнаружены серебро и следы золота, а также большое количество кремнезема, выявлен на побережье Берингова моря, в 70 километрах восточнее поселка Майно-Пыльгино. Здесь же найдены подземные источники с сероводородом до 40 мг/л, в то время как по международным нормам к сероводородным относятся воды, содержащие более 10 мг/л сероводорода.

При бурении скважин в районе г. Анадырь были вскрыты подмерзлотные горизонты с рассольными водами. Происхождение таких вод имеет большой научный интерес. Как правило, они залегают на глубинах более 1000 метров и там, где среди слоев пород есть пласты каменной соля. А здесь рассолы находятся на глубине до 150 метров в несоленосных породах. Мало того, во многих пунктах морского побережья Чукотки установлены рассолы в магматических образованиях и тоже на глубинах 100-150 метров. Сейчас установлено, что формирование таких вод произошло в результате вымерзания морской воды, просочившейся в породы в древние (около 50 тысяч лет назад) времена, когда прибрежные районы погружались ниже уровня моря.

Известно, что чем более минерализована вода, тем ниже температура ее замерзания. При выделении льда соли остаются в жидком растворе. Этот раствор начнет замерзать, если понизить температуру. Поэтому каждой отрицательной температуре соответствует определенное содержание солей в воде. Например, если постепенно понизить температуру морской воды до -6°С, то остаточная жидкость будет содержать примерно 100 граммов солей в литре. Сейчас же такие воды имеют температуру, близкую к 0?С, то есть со времени их образования климат стал значительно теплее.

Но при вымерзании воды происходило не только увеличение их минерализации, по и менялся их химический состав, и они приобрели лечебные свойства за счет накопления биологически активных компонентов - хлористого кальция, йода, брома и т. д.

Общие запасы лечебных вод в Магаданской области велики. Только известные горячие источники дают в секунду около 200 литров целебной воды. При полном их использовании эту цифру ложно увеличить во много раз. Уже в настоящее время возможна эксплуатация источников, расположенных неподалеку от населенных пунктов, таких, как Северо-Эвенские, Мотыклейские, Кукунские, Чаплинские.

Описание природной воды по формуле М.Г. Курлова

Для удобства сопоставления анализов воды существуют различные способы сокращённого изображения состава. Наиболее часто применяется формула М.Г. Курлова - это наглядное изображение химического состава природной воды.

В этой формуле, выражаемой в виде псевдодроби, в числителе пишут в процент-эквивалентах в убывающем порядке анионы, а в знаменателе в таком же порядке катионы. Ионы, присутствующие в количестве менее 10 % экв, в формулу не вносят. К символу иона приписывают его содержание в процент-эквивалентах в целых числах. Впереди дроби указывают величину минерализации (М) в г/л, pH, жёсткость в мг·экв /л и компоненты, специфичные для данного анализа (CO2, H2S, Br-, J-, радиоактивность и др.). После дроби указывают температуру воды (t0 C) и дебит источника или скважины в (D), м3 / сут.

Например:

А теперь последовательно рассмотрим составные части формулы М.Г. Курлова.

Водородный показатель - pH

В воде часть молекул всегда находится в диссoциированном состоянии в виде ионов H+ и OH-. Концентрация недиссоциированной воды считается постоянной, поэтому количество ионов водорода и ионов гидроксила при данной температуре будет тоже величиной постоянной. При t 220 С эта величина равна 10-14. Чистая вода имеет нейтральную реакцию и количество ионов H+ должно быть равно количеству ионов OH-.

[H+] = [OH-] = 10-7

Это выражение показывает, что при 220 С в 1 л чистой воды содержится 10-7 грамм-молекул воды в ионизированном виде, т.е. 10-7 грамм-ионов водорода и 10-7 грамм-ионов гидроксила.

Если [H+] = 10-7, то lg [H+] = -7, а - lg [H+] = 7

Выражение - lg [H+] означает pH - отрицательный десятичный логарифм концентрации водородных ионов.

Если pH < 7 - реакция воды кислая;

Если pH > 7 - реакция воды щелочная;

pH < 4,5 - сильнокислая;

4,5 - 5,5 - кислая;

5,5 - 6,5 - слабокислая;

6,5 - 7,5 - близкая к нейтральной;

7,5 - 8,5 - слабощелочная;

8,5 - 9,5 - щелочная;

> 9,5 - сильнощелочная.

16. Классификация подземных вод по фазовому состоянию по Лебедеву (5 типов)

Впервые на основании детальных экспериментальных исследований А. Ф. Лебедевым (1936) была предложена классификация видов воды в рыхлых горных породах. Позднее идеи А. Ф. Лебедева развивались многими исследователями (Роде, 1952; Ломтадзе, 1970; Сергеев, 1973), и в настоящее время выделяют семь видов воды.

1. Вода в форме пара (парообразная) содержится в воздухе, занимающем свободные от жидкой воды поры и трещины в горных породах. Она находится в динамическом равновесии с другими видами воды и с парами воды в атмосфере и обладает большой подвижностью. Последнее связано с неодинаковой упругостью паров в различных слоях пород и в атмосфере.

2. Физически прочносвязанная вода (гигроскопическая, по А. Ф. Лебедеву) образуется путем адсорбции (лат. «адсорбцио» -- поглощение) молекул парообразной воды на поверхности минеральных частиц горных пород. Прочносвязанная вода больше все-то свойственна тонкодисперсным породам -- суглинкам и глинам. Она облекает частицы породы одномолекулярной тонкой пленкой, которая прочно удерживается молекулярными и электростатическими силами.

3. Физически рыхлосвязанная вода (пленочная, по А. Ф. Лебедеву) располагается на поверхности частиц породы поверх проч-шзсвязанной. Она образует более толстую пленку из нескольких слоев молекул и удерживается молекулярными силами. Чем толще пленка, тем меньше молекулярные связи в ее краевой части.

Поэтому внешние слои рыхлосвязанной воды уже доступны для питания растений. Если толщина пленок у соседних частиц различная, то происходит медленное перемещение воды от частиц с большей толщиной пленки к частицам с менее тонкой пленкой до их выравнивания (рис. 8.1).

4. Капиллярная вода заполняет частично или полностью капиллярные (лат. «капиллярис»-- волосная) трубки, узкие поры и трещинки горных пород и почв и удерживается в них силами поверхностного натяжения (капиллярных менисков). Влажность отложений, у которых все капилляры заполнены водой, называют капиллярной влагоем-костью. Различают два основных вида капиллярных вод. А. Капиллярно-подвешенная вода, не связанная с уровнем подземных.

Она обычно образуется в верхней части почв и пес-чано-суглинистых грунтов зоны аэрации за счет инфильтрации атмосферных осадков. Подвешенная вода способна к восходящему передвижению в жидкой форме при испарении. Б. Капиллярно-подтянутая вода располагается непосредственно над Уровнем грунтовых вод, от которого она поднимается снизу вверх, образуя капиллярную кайму. Высота капиллярного поднятия зависит от состава горных пород и колеблется от первых сантиметров в крупнозернистых отложениях до 2--3 м и более в суглинках. Капиллярно-подтянутая вода гидравлически связана с грунтовыми водами. Поэтому при сезонном и многолетнем колебаниях уровня грунтовых вод изменяется и верхняя поверхность капиллярной каймы.

5. Гравитационная вода (капельно-жидкая) способна свободно перемещаться по порам, трещинам и другим пустотам в горных породах под влиянием силы тяжести или гидродинамического напора. Она может быть подразделена на воду, заполняющую полностью все поры, трещины и другие пустоты в водопроницаемых горных породах и образующую горизонты подземных вод, и воду, просачивающуюся сверху вниз в зоне аэрации (греч. «аэр» -- воздух), т. е. в зоне, расположенной выше подземных вод.

6. Вода в твердом состоянии в виде кристалликов, прослоек и линз льда может образоваться при сезонном промерзании водо-насыщенных горных пород, но особенно развита в областях распространения многолетнемерзлых горных пород (в Сибири, на Аляске и в других местах, см. гл. 10).

7. Кристаллизационная (химически связанная) вода входит в состав ряда минералов и принимает участие в их кристаллической решетке. В качестве примера можно привести гипс CaS04-*2H2O (содержит 20,9% воды по массе), мирабилит Na2SO^lOH2O (55,9%). Удаление этой воды возможно при нагревании до 1000C и выше.

Водопроницаемость горных пород. В формировании подземных вод, а также скорости их движения большое значение имеют степень и характер водопроницаемости пород. По степени водопроницаемости все горные породы подразделяются на три группы: 1) водопроницаемые -- пески, гравий, галечники, трещиноватые песчаники, конгломераты и другие скальные породы, трещиноватые и закарстованные известняки, доломиты; 2) слабопроница-емые -- супеси, легкие суглинки, лёсс, неразложившийся торф и др.; 3) относительно водонепроницаемые, или водоупорные, -- глины, тяжелые суглинки, разложившийся торф, нетрещиноватые массивные кристаллические и сцементированные осадочные породы.

Размещено на Allbest.ru