Движение подземных вод

Движение подземных вод

Особенности движения рассолов.

В пределах одного и того же водоносного комплекса минерализация,

соответственно, плотность и вязкость могут существенно меняться как в

вертикальном направлении, так и по простиранию пласта. При этом скорость

движения потока может быть выражена из

[pic] (1)

Анализируя записанную формулу устанавливаем, что при неизменном

градиенте напора скорость фильтрации может быть различной в результате

изменения плотности и вязкости. При увеличении минерализации рост вязкости

происходит быстрее, чем плотности. Как указывает А. И. Силин-Бекчурин, в

интервале температур 5-20°С скорость фильтрации пресных вод в 1,5-2 раза

выше, чем рассолов. С увеличением температуры эти различия нивелируются.

Неоднородность плотности вод необходимо учитывать при определении

напора или давления. Для пресных вод, обладающих плотностью равной I,

гидродинамическую картину можно оценивать, ограничиваясь лишь данными

статистических уровней в скважинах. Однако, для минерализованных вод,

отличающихся к тому же различной плотностью в разных точках пласта по

результатам замеров статических уровней установить гидравлический уклон,

построить карты гидроизопьез невозможно, т.к. величины уровней зависят от

плотностей.

В этом случае выбирается плоскость сравнения и аналогично определению

приведенного напора рис.2 расчет приведенного давления можно вести

по формуле: [pic]

[pic]рис.1

Вместе с тем в практике исследований известны примеры, фиксирующие

отклонения от закона Дэрси. Нарушение прямой пропорциональности между

скоростью фильтрации и напорным градиентом отмечено прежде всего при

больших скоростях движения подземных вод (верхний предел применимости).

Верхний предел применимости Дарси. Этот предел применимости линейного

закона фильтрации связан с так называемой критической скоростью фильтрации,

при достижении которой не соблюдается прямой пропорциональности между

скоростью фильтрации и напорным градиентом. Количественный признак

определения верхнего предела применимости линейного закона фильтрации был

предложен Н.Н.Павловским (1922г.), а затем ВЛ1.Щелкэчевым.

По В.Н.Щелкачеву, критическое число Рейнольдса RLкр ,

устанавливающее границу между ламинарным и турбулентным движениями

подземных вод, определяется по формуле:

[pic] (2)

а отвечающая этому числу критическая скорость фильтрации соответственно из

выражения:

[pic]

[pic] (3)

В формулах (2), (3): n- пористость; ? -кинематический коэффициент

вязкости, где ?- динамический коэффициент вязкости ,?-плотность воды,

г/см3); [pic]-коэффициент

проницаемости горных пород.

Рассчитанные по формуле (2) критические значения числа Рейнольдса

оказались в пределах 4-12. Такой большой диапазон изменения критического

значения числа Рейнольдса объясняется тем, что отклонение от линейного

закона фильтрации происходит постепенно и в разных условиях неодинаково в

зависимости от структуры порового пространства и от свойств фильтрующейся

жидкости.

Отклонения от линейного закона Фильтрации объясняются тем, что с

увеличением скорости движения воды в пористой среде возрастает роль сил

инерции. При движении воды по поровым каналам с большой скоростью величины

и направления скоростей жидких частиц значительно изменяются вследствие

извилистости каналов и непостоянства их поперечных размеров. Большое

изменение скоростей фильтрации обусловлено существованием значительных сил

инерции, что приводит к нарушению закона Дзрси.

Нарушение линейного закона фильтрации может происходить, например,

при интенсивных откачках подземных вод» На большей площади депрессионной

воронки, созданной откачками, вследствие малых уклонов должен сохраняться

ламинарный режим .движения: в зоне же, которая непосредственно примыкает к

водозаборному сооружению, могут иметь место отклонения от ламинарного

движения, обусловленные резким возрастанием скоростей в суженной

прифильтровой части депрессионной воронки.

В условиях наличия отклонений от линейного закона фильтрации

(переходный режим) наиболее достоверной формой основного закона является

двучленная зависимость вида:

Y=aV+bV2,

где a и b- некоторые постоянные, зависящие от свойств пористой среды и

фильтрующейся жидкости и определяемые экспериментально.

При малых значениях скорости фильтрации величиной bV2 можно

пренебречь, тогда формула представит собой запись закона А.Дарси: У =

aV , в которой а=Y/V . При значительных скоростях Фильтрации, наоборот,

величина члена bV2 становится намного больше первого члена формулы aV ,

без учета которого Формула принимает вид

У= bV2- откуда получается следующее выражение для скорости

фильтрации V :

[pic] (4)

Kk- коэффициент фильтрации по Краснопольскому.

Зависимость типа (4) была в свое время предложена

А.А.Краснопольским (1912 г.) для турбулентного режима движения жидкости и

характеризует ток называемый нелинейный закон фильтрации.

Нижний предел применимости закона Дэрси

Нарушение линейного закона фильтрации наблюдается и в области очень малых

значений скоростей и градиентов. Однако точного значения нижнего предела

применимости закона Дэрси не имеется. Исследованиями американского

гидрогеолога О.Мейнцера установлена применимость закона Дэрси в зернистых

породах при значениях напорного градиента 0,00003 -0,00004 и высказано

предположение о справедливости линейного закона фильтрации при еще более

малых значениях напорного градиента. Экспериментальные исследования

В.Н.Щелкачева и И.Е.Фоменко доказывают, что фильтрация пресных и соленых

вод происходит без нарушения закона Дэрси в песчаных коллекторах с

проницаемостью до 5 мД и выше при очень малых значениях градиента (n*10-

4) и скорости фильтрации (n*10-3 см/год.)

Значительный интерес представляют также исследования фильтрации

подземных вод через глинистые породы.

Фильтрация воды в глинистых породах. В дисперсных глинистых

породах, обладающих крайне малым размером пор, связанная вода практически

полностью перекрывает сечение норовых канальцев. Для возникновения

фильтрации в таких породах необходимо создать градиент капора, превышающий

некоторый начальной напорный градиент. Существование этого начального

напорного градиента вызвано наличием связанной воды, которая отличается

по своим физическим свойствам от обычной вязкой жидкости и, являясь вязко-

пластичной жидкостью, обладает определенной сдвиговой прочностью. При

возникновении напорного градиента, превышающего начальный градиент,

определяемый сдвиговой прочностью, в глинистых породах происходит

фильтрация, подчиняющаяся линейному закону Дэрси, который записывается в

следующем виде :

V=K(Y-Yпр)=K(Y-4Yo/3 ) (5)

[pic]рис.2

На рис.2 показана зависимость скорости фильтрации воды в песчаных

породах (прямая I) ив глинах (кривая II) от напорного градиента. При

фильтрации вода в песчаных породах существует линейная зависимость между

скоростью фильтрации V и напорным градиентом I; при фильтрации воды в

глинах - криволинейная зависимость на первом участке (1-2) и прямолинейная

на втором (2-3). Точка 1 кривой 2 соответствует начальному напорному

градиенту I , при котором вода находится в предельном состоянии; при

превышении же начального градиента отмечается фильтрация воды, но

зависимость скорости фильтрации от напорного градиента имеет прямолинейный

характер (участок 1-2 кривой II). Точка 2 соответствует значению

предельного напорного градиента Iпр, при превышении которого становится

справедливым закон Дэрси.

Экспериментальными исследованиями С.А.Роза установлено, что для

плотных глин значение начального напорного градиента, при превышении

которого начинается фильтрация, может достигать 20-30, в остальных случаях

оно может составлять несколько единиц.

В соответствии с изложенным в природных условиях следует учитывать

возможность фильтрации подземных вод через относительно водоупорные

глинистые отложения.

Структура фильтрационного потока

Для описания структуры потока используется гидродинамическая

сетка, которая состоит из линий напора и линий тока.

Общей структурной формой является пространственный (3-х мерный)

поток ,гидродинамическая сетка которой деформируется по З-м

пространственным координатам.

Анализ пространственных потоков сложен и такой анализ

встречается редко. Основными формами потока, широко используемыми в

гидрогеологических расчетах - плоские (двумерные) потоки в вертикальном

сечении (профильные) и в плане (плановые), для которых характерна

деформация гидродинамической сетки в какой-либо одной плоскости.

В профильных потоках деформации линий тока происходят в вертикальной

плоскости, а в плане поток имеет плоско-параллельный характер, т.е. в атом

случае линии тока в плане параллельны друг другу. Пример - фильтрация в

основании плотин.

В плановых потоках деформаций линий токов - в плане, а в

вертикальном сечении поток носит плоско-параллельный характер. Такие

условия характерны для потоков большой протяженности, длина которой

значительно превышает их мощность.

Наиболее простой структурной формой является линейный (одномерный)

поток, движение которого происходит в одном направлении.

В плановом потоке удобно вместо V фильтрации использовать понятие удельного

расхода потока q , который представляет собой исход планового потока

шириной I м; т.е. площадь поперечного сечения для удельного расхода

численно равна мощности пласта. При однородном строении пласта по

вертикали для записи удельного расхода мощности используется ф. Дэрси,

полагая Q=q, ?=m, т.е.

q= кт *У = TУ

T [м2 /сек]-проводимость потока - удельной расход потока при единичном

градиенте Для планового потока, состоящего из различной проницаемости

q=q1+q2+…=(K1 m1+K 2m2+…)Y т.е. T= K1 m1+K 2m2+…

Тогда средний (средневзвешенный)

Кср=T/m = (K1 m1+K 2m2+…)/m

Таким образом элементы Фильтрации потока :

1. пьезометрический напор H=p/? +z;

2. напорный градиент dh/dl ;

3. линии равных напоров;

4. линии токов;

5. скорость фильтрации.

Понятие об установившейся и неустановившейся фильтрации подземных вод.

Фильтрация подземных вод в пористой или трещиноватой среде горных пород

может иметь установившийся или неустановившийся характер Строго говоря,

движение подземных вод в горных породах всегда является в той или иной мере

неустановившимся , т.е. переменным во времени. Неустановившееся движение

проявляется в изменениях уровня подземных вод, что обусловливает изменения

напорных градиентов, скоростей фильтрации и расхода подземного потока.

Изменения эти могут быть вызваны влиянием естественных или искусственных

факторов, определяющих условия питания, движения и разгрузки подземных

вод. К числу таких факторов можно отнести неравномерное выпадение и

инфильтрацию атмосферных осадков, колебания горизонтов поверхностных

водоемов, паводки на реках, сооружение и функционирование водохранилищ и

каналов, процессы орошения и осушения земельных территорий, откачки

подземных вод из скважин и горных выработок, захоронение сточных вод и др.

В районах, где условия питания и разгрузки подземных вод изменяются во

времени незначительно, движение подземных вод можно рассматривать как

установившееся, т.е. практически не изменяющееся во времени. При

установившейся фильтрации уровни и скорость движения подземных вод в одних

и тех же точках не изменяются во времени, являясь лишь функцией координат

пространства. H,Y,V=const.

Установившееся и неустановившееся движение подземных вод наблюдается как в

безнапорных, так и в напорных водоносных горизонтах. Особенно резко

выраженный неустановившийся характер носит движение подземных вод в первый

период работы водозаборных сооружений

При этом следствием неустановившегося движения в безнапорных

водоносных горизонтах является осушение части водоносного горизонта (в

пределах создаваемой депрессии), происходящее при понижении уровня в

процессе откачки вода. Осушение пласта в зоне влияния откачки происходит

постепенно, вызывая изменение уровня, скорости движения и расхода

подземного потока.

При изучении условий движения подземных вод неглубоких безнапорных

водоносных горизонтов упругие свойства воды и горных пород обычно не

учитываются, а соответствующий этому режим фильтрации называется жестким.-

n,?=const.

В напорных водоносных горизонтах неустановившееся движение определяется

упругими свойствами воды и горных пород. При вскрытии напорных вод

скважинами и снижении напоров при откачках происходит разуплотнение воды с

одновременным упругим расширением пород, под влиянием чего вода как бы

выдавливается из пласта в скважины (водозаборные сооружения). Так возникает

своеобразный режим подземных вод, соответствующий неустановившемуся

характеру их фильтрации.

Помимо упругих свойств воды и горных пород на неустановившееся движение в

напорных водоносных горизонтах могут оказывать влияние и иные факторы;, в

том числе приток води из других горл-зонтов или осушение водоносного пласта

в области его выхода на поверхность. При наличии постоянно действующих

поверхностных источников питания, с которыми гидравлически связаны напорные

водоносные горизонты, и интенсивного поступления в них воды из соседних

слоев движение подземных вод стабилизируется и со временем приобретает

характер установившегося. Y,V =const.

Гидродинамические расчеты по прогнозу и оценке условии неустановившейся

Фильтрации подземных вод выполняются с учетом фактора времени. При этом

исковые значения параметров потока подземных вод определяется как функции

координат пространства времени.

Определение направленности и скорости движения подземных вод.

Определение направленности движения подземных вод.

Направление движения подземных вод легко устанавливается при наличии карт

гидроизогипс (либо гидроизопьез) по изучаемым водоносным горизонтам. По

таким картам направление движения подземных вод определяется линиями токов,

проведенным перпендикулярно, к линиям равного напора гидроизогипсам или

гидроизопьезам по уклону потока.

По отсутствии карт, отражающих положение свободной или пьезометрической

поверхности подземных вод, для определения направления их движения

необходимо иметь не менее трех выработок, чтобы установить отметки уровня

подземных вод. Выработки желательно располагать по углам равностороннего

треугольника с длиной стороны от 50 до 200 метров(чем меньше уклон

потока, тем больше расстояние между скважинами). По известным или

установленным отметкам уровня подземных вод путем интерполяции составляется

план изолинии свободной или изотермической поверхности определяется

направление движения потока по линиям токов.

[pic]рис.3

Для получения надежных данных о направлениях движения потоков подземных вод

следует использовать материалы режимных наблюдений(карты изолиний на

различные периоды времени). Определение направления движения по картам

гидроизогипс следует считать основным методом при отсутствии карт

достоверных данных об отметках уровней в отдельных точках направление

давления подземных вод можно устанавливать с помощью

геофизических(фотографирование в скважинах конусов распространения

красителя от точечного источника, метод заряженного тела, замеры

интенсивности конвективного переноса тепла в разных направления от датчика,

круговые измерения естественного потенциала и др.), радиоиндикаторных и

других методов.

Геофизические методы определения направления движения подземных вод.

Наиболее перспективными являются односкважинные методы, в том числе метод

фотографирования конусов выноса от точечного источника красителя, при

котором периодически фотографируются распространяющиеся от специальной

капсулы конуса красителя на фоне стрелки магнитного указателя. Всего за

один спуск можно наполнить до 60 снимков, направление движения подземных

вод определяется по направлению конуса заноса красителя для получения

надежных результатов достаточно 4-6снимков.

Точность определении направления подземного потока может быть оценена

величиной относительной погрешности от 3 до 20, в значительной мере

погрешность зависит от скорости движения подземных вод. Метод может

использоваться при скоростях фильтрации не ниже 0,5 м/сут. По времени

существования конуса можно ориентировочно определить и скорость фильтрации.

Этот метод значительно менее апробирован, по сравнению с радиоиндикаторным,

но он несколько проще в пополнении и не требует согласования с органами

санэпидемнадзора.

Односкважинные методы осуществления направления движения подземных

вод не рекомендуется использовать в породах с редкой и неравномерной

трещиноватостью.

Индикаторные методы определения направления и скорости движения подземных

вод.

Одним из важнейших показателей миграции подземных вод является

действительная скорость из движения или фильтрации V?, которая связана со

скоростью фильтрации V соотношением: V? =V/na, (6)

где na-активная в фильтрационном отношении пористость породы, равная

разности между полной плотностью no и объемным содержанием связной породы

nс и защемленного воздуха nз , т.е. na= no- nс- nз.

при решении задач следует учитывать, что действительная скорость

фильтрации, определяющая конвективный перенос вещества и тепла с

фильтрационным потоком, может изменяться за счет сорбции солей и растворов

, выщелачивания, фильтрация микроорганизмов и других факторов.

При наличии карт гидроизогипс и данных о коэффициенте фильтрации пористости

водоносных пород действительная скорость V? может быть определена по

значению скорости фильтрации с учетом(6).

Страницы: 1, 2