5. динамика и режим подземных вод

Составитель: Н.В. Осинцева

Источники:Всеволжский В.А. Основы гидрогеологии. М.: Изд-во МГУ, 2007.- 448 с.Шварцев С.Л. Общая гидрогеология. М.: Недра, 1996. – 423 с.Леонова А.В. Основы гидрогеологии и инженерной геологии. Томск: Изд-во ТПУ, 2011.- 147 с.

Динамика и режим подземных вод

конспект лекций

Виды движения подземных вод

O Движение воды как физического тела – движение свободной воды под действием гравитационного, теплового, геофизического полей. Главным выступает гравитационное поле – вода стремится занять как можно более низкое положение.

O Движение физически связанных вод – под действием сил поверхностного натяжения, молекулярной диффузии.

O Движение воды как геологического тела – движение всех форм подземных вод вместе с вмещающими их горными породами под действием геологических процессов

Движение воды как физического тела

O Пластовые давления – давления, реально наблюдаемые в водоносном пласте

O Гидростатическое давление (Рr) – вес вышележащего столба воды

Рr= ρвН/10,

где ρв– плотность воды, Н – глубина залегания измеряемой точки от уровня первого от поверхности водоносного горизонта.

Гидростатическое давление измеряется в кг/см2 или атмосферах, поскольку давление 1 кг/см2 примерно соответствует 1 атм, или 104 Па.


O Аномально высокие давления – давления, превышающие расчетные гидростатические в 1,3-1,6 раза и наблюдающиеся в глубоких слоях литосферы

O Литостатическое (геостатическое) давление (Рл) – вес вышележащего столба воды

Рл= ρПН/10,

где ρП– плотность горной породы, Н – глубина залегания горной породы.

Так как плотность осадочных горных пород в среднем составляет 2,3 г/см3 , а плотность даже соленой воды не превышает 1,4 г/см3, геостатическое давление на одних и тех же глубинах больше гидростатического в 2,0-2,5 раза.


Гидродинамические зоны в земной коре(Ю.А. Ежов, Ю.П. Вдовин, 1970, Шварцев С.Л., 1996)

1.Зона гидростатических пластовых давлений. Распространена до глубины 2-3 км. Преобладает нисходяще и горизонтальное движение подземных вод инфильтрационного генезиса.

2.Зона переходных между гидростатическим и литостатическим пластовых давлений. Распространена до глубины 7 км. Распространены в основном седиментационные воды. Преобладают в основном восходящие потоки подземных вод.

3.Зона литостатических давлений. Содержит в основном связанные воды. Преобладают восходящие потоки подземных вод.


Гидродинамический режим подземных вод – это характер движения воды, обусловленный величиной пластовых давлений и степенью гидродинамической закрытости водоносных систем

Типы гидродинамического режима

OРежим инфильтрационного типа. Движение подземных вод происходит вследствие разности напоров в зоне современной инфильтрации и зоне разгрузки. Пластовое давление подземных вод равно гидростатическому.OРежим элизионного (выжимающего) типа. Движение вод происходит вследствие их выжимания из пород, уплотняющихся под действием геостатического давления или возникающих тектонических напряжений. Пластовое давление, как правило, выше гидростатического, но значительно ниже литостатического.OРежим глубинного типа. Основными причинам и движения вод является воздействие на них геостатического и тектонического давлений. Пластовое давление может достигать значений геостатического давления и даже его превышать.

Фильтрация подземных вод - движение свободной гравитационной воды под действием силы тяжести или градиента давления


O Фильтрационный поток - водоносный горизонт, через который идет фильтрация воды

Фильтрация происходит в пористой/трещиноватой среде через систему открытых и сообщающихся между собой пористых каналов и трещин


Основные характеристики фильтрационного потока

OПлощадь поперечного сечения (F) - произведение ширины потока (B) и его мощности (мощность пласта) m:

F=B·m (см2, м2)

OРеальная площадь поперечного сечения потока (F') учитывает величину активной скважности (na):

F'= na·F= na·B·mOРасход фильтрационного потока Q - количество воды, проходящее за единицу времени через поперечное сечение потока (см3/с, л/с, м3/сут.).OУдельный расход фильтрационного потока (q)- количество воды, проходящее в единицу времени через при ширине 1 м (см3/с, л/с, м3/сут.).



OСкорость фильтрации (скорость фильтрационного потока) ν – количество воды, проходящее в единицу времени через единицу поперечного сечения потока (пласта):

ν= Q/F.

OДействительная скорость фильтрации u – количество воды, проходящее через реальную площадь поперечного сечения. Она всегда больше, чем скорость фильтрации ν.

u= Q/F'= ν/ na= Q/ F·na



OПьезометрический напор – энергия жидкости в данной точке потока

Н = Р/ ϒ + Z + v2/2 g,

где Р — гидростатическое давление в исследуемой точке потока; ϒ — объемная масса воды; Z — высота исследуемой точки потока над выбранной плоскостью сравнения напоров; v2/2g — скоростной напор, который в потоке подземных вод весьма мал и обычно приравнивается к нулю. В этом случае

Н = Р/ϒ + Z.



OПьезометрическая высота – высота, на которую поднимается вода под действием гидростатического давления в данной точке потока. Она равна отношению гидростатического давления (Р) к весу воды в единице объема (ϒ).

h=P/ϒ


В случае безнапорного потока пьезометрическая высота равна глубине погружения данной точки от зеркала грунтовых вод (а), а в случае напорных вод — глубине погружения точки от пьезометрической поверхности этих вод (б).

Графическое изображение пьезометрической высоты в скважине для безнапорных (а) и напорных (б) вод (Шварцев С.Л., 1996).1 – зеркало грунтовых вод, 2 – водоупор, 3 – пьезометрическая поверхность


Графическое изображение пьезометрического напора подземных вод с горизонтальным (а) и наклонным

(б)залеганием водоупорного основания (Шварцев С.Л., 1996).

1 – зеркало грунтовых вод, 2 – водоупор, 3 – плоскость сравнения напоров



OГрадиент пьезометрического напора (напорный градиент) I – потеря напора подземных вод (∆Н, м) на участке между рассматриваемыми сечениями потока, отнесенная к расстоянию между сечениями (L - длина пути фильтрации, м).

I= (H1- H2)/L = ∆Н/L


Виды фильтрационных потоков

1. Установившиеся (скорость, расход, направление и др. характеристики потока постоянны во времени)

2. Неустановившиеся (основные характеристики потока меняются во времени)



OБезнапорные - имеют свободную поверхность, движение воды происходит под действием силы тяжести. Формируются при неполном заполнении водой поперечного сечения водопроницаемого пласта)

OНапорные - имеют пьезометрический уровень, движение воды происходит как под действием силы тяжести, так и за счет упругих свойств воды и водовмещающих пород. Формируются при полном заполнении поперечного сечения пласта водой.

OНапорно-безнапорные - образуются при откачке воды из скважин, если пьезометрический уровень опускается ниже кровли напорного водоносного горизонта.



1. Ламинарные - струйки воды передвигаются без завихрений параллельно друг другу). Формируются в пористых и трещиноватых породах с коэффициентом фильтрации до 300–400 м/сут.

2. Турбулентные - движение струек воды носит вихревой характер. Формируются редко, в породах с крупными трещинами и пустотами с коэффициентом фильтрации более 300–400 м/сут.



1. Плоские - струйки воды параллельный друг другу.

2. Радиальные - струйки воды направлены радиально..

Виды потоков грунтовых вод

а – плоский, б – радиальный расходящийся, в – радиальный сходящийся)

Движение воды

как физического

тела

Границы

фильтрационного

потока

Нижняя – водоупорное

основание

Верхняя – свободная

поверхность воды (для

безнапорных вод)/ подошва

водоупорного слоя (для

напорных вод)

Боковые – зоны дренажа и

питания (реки, овраги,

болота, озера)

Неограниченный фильтрационный поток – боковые границы находятся на большом удалении (в бесконечности)

Полуограниченный поток – удалена только одна граница

Ограниченный поток – обе боковые границы расположены рядом

Движение воды как физического

телаОсновной закон

фильтрации (закон Дарси)

был экспериментально установлен французским гидравликом Анри Дарси (1803–1858) на основании опытов по исследованию движения воды через трубки, заполненные песком.

«По-видимому, для песка одного качества, пропускаемый им расход прямо пропорционален напору и обратно пропорционален толщине фильтрующего слоя (грунта)»

Анри Филибер Гаспар Дарси (Henry Philibert

Gaspard Darcy)10.06.1803–02.01.1858

(Франция)

Движение воды как физического телаОсновной закон фильтрации (закон

Дарси)

Схема прибора, демонстрирующего движение воды в пористой среде в

соответствии с законом Дарси

Z1 и Z2 – координаты точек 1 и 2, в которых измерены пьезометрические напоры h1 и h2: H1=h1+Z1 H2=h2+Z2; Z- путь фильтрации; 0-0 – плоскость сравнения

Количество воды Q, просачивающейся через породу в единицу времени, пропорционально величине падения напора при фильтрации ∆H и площади поперечного сечения породы F и обратно пропорционально пути фильтрации L, измеряемой по направлению движения воды:

Q=k(∆H/ L) F,

где k – коэффициент пропорциональности, зависящий от физических свойств породы и фильтрующейся жидкости – коэффициент фильтрации.

O Обозначив отношение падения напора ΔН к длине пути фильтрации L через напорный или гидравлический градиент I, получим

Q = k I F.

O Разделив обе части уравнения на F, получим

Q/F = v = kI

O Физический смысл коэффициента фильтрации - скорость фильтрации воды при гидравлическом градиенте, равном единице.

O Размерность коэффициента фильтрации та же, что и скорости движения воды, т.е. см /с , м/ч или м/сут .


Дарси)

O Коэффициент водопроводимости Т - произведение коэффициента фильтрации k на мощность водоносного горизонта m или пьезометрический напор h (м2/сут или см2/с).

Т = km или Т = kh

O Физический смысл коэффициента водопроводимости - способность площади водоносного горизонта фильтровать воду в единицу времени при напорном градиенте, равном единице.

O Скорость фильтрации, рассчитанная по формуле (Q/F = v = kI), не равна действительной скорости движения воды в порах или трещинах породы

O Чтобы получить реальную скорость движения подземных вод U, необходимо скорость фильтрации v разделить на пористость породы n

U = v/n.


Дарси)

Коэффициент фильтрации k связан с коэффициентом проницаемости Кп :

k = Кп ɣ / µ

где ɣ - объемная масса воды µ - вязкость воды

коэффициент фильтрации ≠ коэффициент проницаемости


Дарси)

Коэффициенты фильтрации и проницаемости для различных пород и

грунтов(Де Уист Р . 1969)

Породы и грунты Пористость, % Kп k, см/с

Глинистый известняк 2 1·10-4 8,5·10-8

Известняк 16 1,4·10-1 1,2·10-4

Илистый песчаник 12 2,6·10-3 2,2·10-6

Грубый песчаник 12 1,1 9,4·10-4

Песчаник 29 2,4 2,1·10-3

Мелкозернистый песок – 9,9 8,5·10-3

Среднезернистый песок – 2,6·102 2,2·10-1

Крупнозернистый песок – 3,1·103 2,7·100

Гравий – 4,3·104 3,7·101

Монтмориллонит – 10-6 4,7·10-9

Каолинит – 10-3 4,7·10-7

Пределы применимости закона Дарси

O Верхний – скорость фильтрации 300-800 м/сутки

O Нижний – точно не установлен

Закон Дарси применим для ламинарного типа движения – параллельно-струйчатое, без разрывов и пульсаций, с плавным изменением скорости

O Газлифт- подъем воды, обусловленный ее разрежением за счет попадания газа или образования пара

O Эрлифт – искусственный способ подъема подземных вод при помощи нагнетания в них воздуха.

Конвекция – тепло- и массоперенос движущимися потоками вещества

Температурная конвекция – движение подземных вод, обусловленное разностью температур

Концентрационная конвекция – движение подземных вод, обусловленное различными концентрациями растворенных веществ

Движение воды как физического телаКонвективное движение воды

Гейзеры – горячие источники, периодически выбрасывающие воду и пар.

Образование гейзеров связано с глубинной конвекцией

Для извержения гейзера необходима температура воды более 150°

Известные гейзеры:Долина г. Гезерная (Камчатка)Йеллоустонский национальный парк (США)Новая ЗеландияИсландия


Схема действия гейзераhttp://ru.wikipedia.org/wiki/Гейзер


С.М. Григорьев использовал явление конвективного движения воды для объяснения природы границы Мохоровичича (граница Мохо)

Нисходящие токи воды, достигнув глубин с температурой более 400°С вытесняют кверху имеющийся там пар и сами переходят в парообразное состояние. Пар, расширяясь, устремляется вверх. Между изотермами 374 и 450° С постоянны вертикальные токи воды и пара.

Движение физически связанных вод

Схема капиллярного поднятия воды в трубках разного диаметра (Шварцев С.Л., 1996)

Капиллярная форма движения

Движение физически связанных вод

Молекулярно-диффузная форма движения подземных вод

O Самодиффузия – тепловое движение молекул воды и растворенных в ней веществ.

O Молекулярная диффузия – направленный молекулярный поток вещества в направлении, обратном градиенту поля, воздействующего на подземные воды (концентрация, температура, давление, электрическое, магнитное, гравитационное поле).

O Осмос – односторонняя диффузия через полупроницаемую мембрану молекул растворителя в сторону боxльшей концентрации растворённого вещества.

O Термоосмос – движение воды в виде молекулярной диффузии под влиянием разности температур, в сторону более низкой температуры.

O Концентрационный осмос – движение воды в область с высокой концентрацией растворенных веществ

O Конвективная диффузия – перенос вещества одновременно процессами конвекции (массовые потоки) и диффузии (молекулярные потоки)

Движение воды как геологического тела

Геологическое тело – часть статического пространства, ограниченного геологической границей, внутри которой остаются постоянными или плавно меняются те свойства и характеристики, по которым определены границы этого тела (определение академика Ю.А. Косыгина).

Вода совершает движения вместе с геологическим телом, частью которого она является.

Геологическое движение воды – результат тектонических и геолого-структурных движений, обусловленных глубинными силами Земли

Процессы, определяющие движение подземных вод как геологического тела

OДвижение литосферных плит

OУплотнение и разуплотнение горных пород

OЭлизия (отжатие) из глинистых водовмещающих пород

OЗахоронение воды в осадочных бассейнах (образование седиментационных вод)

OВосходящее движение гидротермальных вод

Режим подземных вод

O Ненарушенный (естественный) режим – формируется под действием естественных (природных) факторов

O Нарушенный (антропогенный) режим – формируется под действием искусственных (антропогенных) факторов

- закономерный процесс изменения их гидродинамических характеристик, физических

свойств и состава, формирующийся во времени

под действием различных естественных или искусственных факторов

Режимообразующие

факторы - природные

или искусственные

процессы, которые

определяют основные

изменения во времени

характеристик подземных

вод.

Режимообразующие условия - природная обстановка, определяющая характер воздействия режимообразующих факторов: геологическая структура, рельеф, строение гидрогеологического разреза, распределение емкостных и фильтрационных свойств горных пород и др.

Факторы формирования режима подземных вод

(по В.С. Ковалевскому)Группа Факторы Примечание

Экзогенные Космические Солнечная активность, приливные силы Луны и других планет

Метеорологические Атмосферные осадки, температура и влажность воздуха

Гидрологические Режим поверхностных вод (реки, озера, моря и др.)

Биогенные Влияние растительности и живых организмов

Искусственные Влияние хозяйственной деятельности человека

Геологические Денудация и эрозииЭндогенные Геологические Эпейрогенические колебания земной

коры, тектонические движения, современный вулканизм, землетрясения

Типы режима подземных водГидродинамический – характеризует изменение напоров (уровней), скоростей и расходов потоков подземных вод,Геотермический – характеризует изменение температуры подземных вод,Гидрогеохимический – отражает изменение химического, газового состава и минерализации подземных вод.

Графическое изображение режима источника (Всеволжский В.А., 2007)

1 – температура воды (°С),2 – дебит (л/с)3 – минерализация воды (мг/л)4 – температура воздуха (°С)5 – атмосферные осадки (мм) в виде дождя (а), снега (б)

Баланс подземных вод – соотношение притока и оттока подземных вод любого (расчетного) элемента подземной гидросферы.

Запасы подземных

вод (VB) – общий

объем воды,

содержащейся в

рассматриваемом

элементе гидросферы

VB=ωmaxVЭ,

где ωmax – полная

влагоемкость,

VЭ – объем элемента,

VB – естественные

(геологические)

запасы подземных вод

Приток подземных вод = поступление, пополнение запасов, питание

Отток подземных вод = сработка запасов, разгрузка

Подземный сток – процесс движения гравитационных подземных вод в зоне полного насыщения, формирующийся как часть общего круговорота воды

Показатели величины

подземного стокаОбъемный модуль подземного стока (MV) – расход потока (Q) на 1 км3 рассматриваемого элемента гидросферы (V):

MV= Q/ V, л/с·км2

Слой подземного стока (Y) – слой воды (мм) на всю площадь рассматриваемого расчетного элемента (района) за определенный период времени. Годовой слой подземного стока связан с площадным модулем подземного стока:

Y=1,5 MF

Коэффициент подземного стока (Кп) – отношение годового слоя подземного стока (Y, мм/год) к годовой сумме атмосферных осадков (х, мм/год):

Кп= Y/х·100%.

Расход подземных вод (Q) – приток подземных вод к границам рассматриваемого

элемента или отток через границы, м3/сут., км3/год и др.

Линейный модуль подземного

стока (ML) – расход потока (Q)

на единицу длины границы

участка (L):

ML= Q/ L, л/с·км

Площадной модуль подземного

стока (MF) – расход потока (Q)

на единицу площади участка

(F):

MF= Q/ F, л/с·км2

Показатели величины

подземного стокаКоэффициент водообмена (КƮ) –

показывает, какая часть от суммарного объема подземных вод (%, доли единицы) может возобновиться в течение года в результате суммарного притока (оттока) подземных вод к границам рассматриваемого элемента.

Выражается отношением суммарного расхода (Q) к объему геологических запасов подземных вод (VB).

КƮ= Q/VB

Срок водообмена (Ʈ) – длительность периода (лет), в течение которого может произойти полное возобновление (полный однократный водообмен – один цикл водообмена) объема геологических запасов подземных вод рассматриваемого элемента подземной гидросферы за счет притока подземных вод к его границам.

Рассчитывается как отношение геологических запасов

подземных вод (VB, м3, км3) к

суммарному расходу Q (суммарный приток к границам расчетного элемента или суммарный отток через границы, м3/год, км3/год):

Ʈ= VB/ Q, год

Потоки подземных вод –

ограниченный

естественными

границами элемент

подземной гидросферы

с единым направлением

движения подземных

вод.

Естественные границы потоков подземных вод:

1.Непроницаемые, изолирующие смежные потоки подземных вод. К ним относятся водоразделы дрены и контакты водоносных и водоупорных пород.

2.Условные, через которые возможно взаимодействие (наличие расхода) двух смежных потоков подземных вод. К ним относятся границы геологических структур, геологических формаций, субформаций и литогенетических комплексов горных пород, границы геоморфологических элементов современной поверхности и др.

Гидродинамическая сетка

подземных вод

1 – линии равного напора,2 – линии токов,3 – лента тока,4 – точки с измеренной величиной

напора подземных вод

Линии равного напора – условные линии, соединяющие точки с равными значениями пьезометрического напора.

Проводятся через равные интервалы напора, которые выбираются произвольно.

Линии токов – условные линии, проведенные ортогонально к линиям равных напоров

Лента тока – участок гидродинамической сетки между двумя линиями тока

Элемент гидродинамической сетки - ячейка, образованная при пересечении двух линий токов с двумя линиями равного напора

Гидродинамическая сетка

подземных вод

1 – линии равного напора,2 – линии токов,3 – лента тока,4 – точки с измеренной величиной

напора подземных вод

Режим потока O Стационарные (установившиеся) потоки – потоки, элементы которых не меняются во времени или эти изменения не существенны.

O Квазистационарные – потоки, в которых во всех точках изменение напоров подземных вод за рассматриваемый период происходит с одним и тем же знаком на одну и ту же величину, в связи с чем конфигурация гидродинамической сетки остается без изменений.

O Нестационарные (неустановившиеся) – потоки, элементы которых (конфигурация гидродинамической сетки) в той или иной степени меняются во времени.

стационарный,

квазистационарный

нестационарный

Documents

5. динамика и режим подземных вод