История подземной гидросферы.

Гидрогеодинамика.

Это наука о движении, режиме и ресурсах подземных вод. Вклад в ее развитие внесли В.Д. Бабушкин, Н.Н. Биндеман, Н.Н. Веригин, Ф.М. Бочевер, И.К. Гиринский, П.Я. Полубаринова-Кочина, А.И. Силин-Бекчурин, В.М. Шестаков, В.Н. Шелкачев и др.

Гидрогеохимия.

Изучает закономерности водной миграции химических элементов и формирование состава подземной гидросферы. Сформировалась как наука в середине ХХ века. У ее истоков стояли В.И. Вернадский и А.М. Овчинников. Этому направлению посвящены труды А.Н. Бунеева, М.Г. Валяшко, И.К. Зайцева, А.И. Перельмана, Е.В. Посохова, С.И. Смирнова, В.А. Сулина, Н.И. Толстихина.

Гидрогеотермия.

Наука изучающая тепловой режим подземной гидросферы. Ее развитию способствовали труды Б.Ф. Маврицеого, Ф.М. Макаренко, Н.М. Фролова, В.И. Лялько, М.М. Митника и других.

История подземной гидросферы.

Исторический подход при изучении процессов в гидросфере, тот раздел получил название палеогидрогеология. (Е.А. Басков, Г.В. Богомолов, С.А. Вагин, А.А. Карцев).

Экологическая гидрогеология.

Начала развиваться только недавно. Основатели: В.И. Осипов, В.Т. Трофимов, К.И. Сычев, В.М. Шестопалов, В.М. Гольдберг и др. В Беларуси этому разделу посвящены работы М.Ю. Калинина, М.Г. Ясовеева, В.И. Пашкевича.

Методика гидрогеологических исследований.

Разрабатывает методику проведения полевых, лабораторных и экспериментальных работ обработки гидрогеологической информации. Включает как традиционные методы, так и новые – радиоизотопные, дистанционные и др., в том числе – связанные с захоронением стоков и жидких отходов, восполнением ресурсов подземных вод и т.п.

Прикладная гидрогеология.

Развивает учение о месторождениях вод – питьевые воды, минеральные, термальные, воды для лечебных, промышленных и энергетических целей. В самостоятельные разделы в инженерной геологии выделяют гидрогеологию месторождений твердых полезных ископаемых (П.П. Климентов, Н.И. Плотников), нефти и газа (М.А. Гатальский,Г.М. Сухарев, В.А. Сулин), а также мелиоративная гидрогеология.

Региональная гидрогеология.

Она занимается изучением подземных вод конкретных территорий, в частности:

- установлением пространственного распределения подземных вод, их количественно-качественных характеристик;

- происхождением и историей воды в рассматриваемой части недр Земли;

- изучением закономерностей формирования состава подземных вод.

ЛЕКЦИЯ ВОДНЫЙ ЦИКЛ

Что такое водный цикл?

Что такое водный цикл? Я могу легко ответить, что - это - "я" везде! Водный цикл, также обычно известный как гидрологический цикл, или круговорот воды в природе, описывает существование и движение воды над, по, и внутри Земли. Вода Земли всегда находится в движении и всегда изменяет формы, от жидкости до пара, льда и обратно. Водный цикл длится в течение миллиардов лет, и вся жизнь на Земле зависит от продолжения его работы; Земля была бы сложным местом для жизни без него.

Краткий обзор водного цикла

Водный цикл не имеет начальной точки, мы начнем с океанов, потому что большинство воды на Земле имеется здесь. Солнце, которое управляет водным циклом, нагревает воду в океанах. Часть этой воды испаряется, и в виде пара поступает в воздух. Испарения также происходят в пресноводных озерах и реках. На земле происходят испарения и из почвы. Восходящие движения воздуха переносят пар в атмосферу. Здесь более низкая температура приводит к конденсации пара и формированию облаков. Течение воздушных масс переносит облака вокруг земного шара. Частички облака соприкасаются, растут и выпадают на землю в виде осадков. Небольшое количество воды остается в атмосфере от испарения и поступает к ледникам. Снег и лед может сублимировать прямо в водяной пар. Часть осадков мы можем наблюдать в виде снега, который может накапливать в ледниках. В более теплых местах снег тает с приходом весны, и талая вода течет по поверхности, попадая в реки, которые впадают в моря и океаны. При этом достигается конечная точка цикла в круговороте воды в природе.

Часть водного цикла попадает в реки, и эта вода движется вновь к океанам, а часть пресных вод накапливается в озерах. Большая часть воды просачивается в землю и лишь немного воды проникает в глубокие горизонты и пополняет водоносные пласты, которые хранят огромные количества пресной воды в течение долгого времени.

Некоторая часть воды близко расположенных к земной поверхности горизонтов, может фильтроваться назад в приповерхностные водные слои, формируя грунтовые воды. Через какое-то время и эта вода продолжает цикл, чтобы снова попасть в океан, где водный цикл "заканчивается" и ….. начинается снова.

Вода в океанах

Места скопления огромного количества всей воды на Земле – это океаны. Известно, что из 1 386 000 000 кубических километров (321 000 000 кубических миль) воды, приблизительно 1 338 000 000 кубических километров находятся в океанах. Это - приблизительно 96.5 % от всего объёма воды. Также известно, что океаны пополняют приблизительно 90 % испарений воды (вызванное нагреванием их поверхности от солнца), эти испарения входят в водный цикл. Океаны способствуют регулированию климата за счет теплых и холодных течений.

В течение более холодных климатических периодов формируется больше ледников, которые уменьшают количество воды в океанах. Перемены происходят во время теплых периодов. В течение последних стадий ледникового периода ледники аккумулировали почти одну треть массы воды Земли. При этом уровень океанов был приблизительно на 122 м ниже, чем сегодня. Приблизительно 3 миллиона лет назад, когда Земля была более теплой, уровень океанов, возможно, был на 50 м выше.

Испарения

Испарения – это обратный процесс конденсации. Это процесс, при котором вода превращается из жидкости в пар. При этом нужна энергия (высокая температура), чтобы разорвать связи между молекулами воды, этим объясняется, почему вода быстро испаряется в точке кипения (100° C), но медленнее – при более низких температурах. Испарения также уменьшают температуру окружающей среды, этим объясняется тот факт, почему вода, испаряющаяся от вашей кожи, охлаждает вас.

Испарения из океанов - первичный путь поступления воды в атмосферу. В глобальном масштабе, количество испарившейся воды равно количеству воды, возвращающейся на Землю в виде осадков. После испарения молекула воды пребывает в среднем 10 дней в воздухе.

Сублимация

С точки зрения водного цикла, сублимация чаще всего используется, чтобы описать процесс превращения снега и льда в пар, минуя стадию таяния. Фактически не просто видеть как происходит такое испарение, по крайней мере, с поверхности льда. Лучший способ наблюдать визуально сублимацию - это использовать твердый углекислый газ (сухой лед), как это показано на рисунке.

Сублимация происходит с большей интенсивностью, когда присутствуют определенные погодные условия типа низкой относительной влажности и сухих ветров. Она также происходит более интенсивно на больших высотах, где давление воздуха меньше, чем в более низких местах. Для этого необходима также и энергия, например солнечный свет. Если бы нужно было выбрать место на Земле, где сублимация случается часто, то я выбрал бы южную сторону Эвереста. Низкие температуры, сильные ветра, интенсивный солнечный свет, очень низкое давление воздуха - все это необходимые условия для сублимации.

Вода в атмосфере

Вода существует в атмосфере в виде пара, облаков и влажности. Хотя атмосфера не может содержать много воды, она транспортирует её в огромных количествах вокруг земного шара. Оценка объема воды в атмосфере в любой момент - приблизительно 12 900 кубических километров и если бы все время шел дождь, это сразу была бы покрыта поверхность Земли слоем воды в 2.5 сантиметра.

Если облака состоят из частиц влаги, тогда они должны иметь вес и плотность. Вопрос почему облака плавают в том, что плотность того же объема вещества облака меньше, чем плотность сухого воздуха. Точно как нефть плавает на поверхности воды, потому что ее плотность ниже, чем плотность воды. Влажный воздух облака тоже менее плотный, чем сухой воздух.

Конденсация

Конденсация - противоположность испарению, является процессом, в котором водяной пар из воздуха превращается в жидкость. Конденсация очень важна для водного цикла, т.к. она отвечает за создание и формирование облаков и, соответственно, за осадки. Даже притом, что облака отсутствуют в совершенно ясном синем небе, вода все же присутствует в форме водяного пара и капелек, которые являются слишком маленькими, чтобы быть заметными. Облака формируются в атмосфере, потому что воздух, содержащий водяные пары, охлаждается и конденсируется. Конденсация также отвечает за туман, за потение ваших стеклянных стаканов, когда Вы идете из холодного места на открытом воздухе в горячий, за капельки воды, которые капают с внешней стороны вашего стакана, а также - за капельки на внутренней части окон дома в холодный день.

Осадки

Осадки – это вода, выпавшая из облаков в форме дождя, дождя со снегом, снега. Это тот путь, по которому вода из атмосферы возвращается на Землю. Облака содержат водяной пар и капельки, которые являются слишком маленькими, чтобы падать как осадки, но достаточно большими, чтобы формировать видимые облака. Для того, чтобы выпали осадки, необходимо, чтобы сначала крошечные водные капельки сконденсировались на пыли, соли, или частицах дыма. Тогда водяные капельки сталкиваются и становятся достаточно большими, чтобы падать на Землю. Миллионы капелек облака создают единственную каплю дождя. Всемирный рекорд среднеежегодного ливня принадлежит местечку Вайалеиле, Гавайи, где он составляет в среднем около 1 140 см в год. Наоборот, в Арике, Чили, дождя не было в течение 14 лет.

Поверхностный сток

Поверхностный сток представляет собой сток по ландшафту в пониженные места. Как и во всех других составляющих водного цикла, взаимодействие между выпадением осадков и поверхностным стоком меняется в зависимости от времени и географического положения. Только около одной трети выпавших осадков стекает в ручьи, реки и возвращается в океаны. Другие две трети выпавших осадков испаряется, транспирируется, или просачивается в подземные воды. Поверхностный сток может также использоваться людьми для их собственных нужд.

Водостоки

Потоки воды в итоге увеличивают количество воды в реке. Реки неоценимы не только для людей, но и для растений, животных, и всей жизни вокруг нас. Мало того, что реки - прекрасное место для отдыха людей, для плавания и игр, но речная вода также используется в качестве питьевой и поливной воды, для производства электричества, смывания отходов, перевозки товаров и получения продовольствия.

При изучении рек, важно рассматривать уровни воды в реке. Этот уровень изменяется во времени в зависимости от сезона года и погодных условий. Обильные дожди, либо интенсивное таяние снега приводят к разливу рек, тогда как в засушливые периоды реки мелеют, и уровень воды в них снижается.

Хранение пресной воды

Одна из частей водного цикла, который мы видим каждый день - это пресная вода, существующая на поверхности Земли в виде водоемов, озер, бассейнов (искусственные озера), пресноводные заболоченные земли, а также - реки. Поверхностная вода не только необходима для всей жизни на Земле, но и через инфильтрацию помогает поддерживать подземные водоносные горизонты заполненными водой. Пресная вода представляет приблизительно только 3 % от всей воды в земле и пресноводных озерах, вода в болотах составляют 0.29 % от всей пресной воды Земли. Реки содержат приблизительно только 0.006 % всех пресноводных запасов. Вы можете видеть, что жизнь на планете поддерживается за счет того, что всегда производится потребление водных запасов Земли!

Просачивание (инфильтрация)

Инфильтрация - нисходящее движение воды от поверхности земли вглубь. Та вода, которая выпадает в виде дождя на земную поверхность, и растаявший снег просачиваются в приповерхностную почву и горные породы. Ее количество сильно зависит от ряда факторов. Часть воды, инфильтраты которой останутся в мелком слое почвы, может войти в состав стока, уйти в общий ее поток. Часть воды может проникнуть глубже, восполняя подземные водоносные слои. Если они залегают неглубоко и обладают достаточной пористостью, то это позволяет воде двигаться легко в пласте, и люди могут здесь сооружать колодцы и использовать воду для своих целей.

Хранение грунтовой воды

Большое количество воды запасено в горных породах Земли. Здесь вода может перемещаться, возможно, очень медленно, и это все еще представляет часть водного цикла. Большинство воды в подземных горизонтах происходит от атмосферных осадков, которые проникают вглубь с поверхности Земли. Верхний слой почвы - ненасыщенная зона, где вода присутствует в количествах, которые изменяются, но не насыщает почву. Ниже этого слоя - насыщенная зона, где все свободные места между частицами горной породы наполняются водой. Термин подземная вода в горных породах Земли используется, чтобы описать эту область. Огромные количества воды в горных породах накоплены в водоносных слоях, и люди во всем мире зависят от количества подземных вод.

Разгрузка подземной воды

Разгрузка грунтовой воды - движение воды из горных пород на земную поверхность. Не все осадки, которые попадают в грунтовые воды, остаются там - часть их начинает двигаться латерально. Часть этой воды вытечет из подземных горизонтов в поверхностные водотоки, а затем - в океан. Вода, двигающаяся под землей, зависит от проницаемости (насколько легким или затрудненным является этот путь для воды) и от пористости (открытой площади в горной породе) горных пород. Если параметры горной породы позволяют воде перемещаться относительно свободно, то вода может преодолеть длинные расстояния под землей через много дней.

Источники

Источники – выходы воды, когда у подножия холма, основания долины или другого места подземные воды имеют выход на поверхность. Источники - результат разгрузки заполненного водоносного слоя, когда вода выходит за его пределы на поверхность земли, либо в дно реки, озера, моря.

Много теплых источников встречается в областях недавней вулканической деятельности, где вода нагрета вследствие контакта с горячими горными породами, расположенными намного ниже поверхности земли. Горячие источники могут формироваться там, где вода из глубоких и более теплых горизонтов находит выход к поверхности земли.

Лекция

Подземные водоносные системы

Зеркало грунтовых вод

Зеркало грунтовых вод может располагаться глубоко, как, например, под холмами, либо близко к поверхности, как, например, в долинах рек. Зеркало грунтовых вод может подниматься выше, либо понижаться в зависимости от ряда факторов. Так, сильные и затяжные дожди увеличивают восполнение подземных вод и вызывают подъем зеркала грунтовых вод. В засушливые сезоны восполнение подземных вод снижается и зеркало грунтовых вод понижается. Вблизи действующих эксплуатационных скважин зеркало грунтовых вод также понижается.

Водоносный горизонт

Понятие водоносный пласт, либо горизонт широко используется в гидрогеологии. Под ним понимают подемные грунты, либо горные породы, через которые может легко перемещаться (фильтроваться) вода.Количество воды, которая можетпротекать через грунт, либо горную породу зависит от размера свободного пространства (поры, трещины, каверны) в них и их сообщения между собой.

Количество свободного пространства принято называть пористостью. Чем больше эта величина, тем больше поровое пространство в горной породе.

Другой важный в гидрогеологии параметр – проницаемость характеризует насколько хорошо эти пространства (пор, трещин, каверн) сообщаются между собой.

Водоносные горизонты (пласты) обычно сложены гравием, песком, песчаником, либо например доломитом, в котором часто встречаются каверны, трещиноватыми породами, такими как известняки и даже породы кристаллического фундамента, например граниты. Эти типы горных пород называют проницаемыми. Они имеют сообщающееся между собой пространство пор, каверн, либо трещин, через которое может перемещаться вода. Свободные пространсва, в водоносном пласте, сложенном гравием, песком, песчаником, называют порами. . Свободные пространсва, в водоносном пласте в трещиноватом коллекторе называют трещинами.

Если в горной породе имеются поры, либо трещины, которые не связаны между собой, тогда подземная вода не может перемещаться от одного пространства, например – трещины, к другому. Такие горные породы называют непроницаемыми. Такие отложения, как глины, или сланцы, имеют очень мало пор и эти поры не имеют связи, либо плохую связь между собой. Поэтому глины обычно препятствуют фильтрации подземных вод.

Загрязнение подземных вод

Мы можем истощить запасы подземной воды, если отбирать больше воды из подземных источников, чем она может восполняться естественным путем. Например, в течение периодов сухой погоды питание водоносных горизонтов уменьшается. Если откачивать слишком много подземной воды в течение таких периодов, то уровень грунтовых вод может понизиться, при этом скважины могут «осушиться».

Подземная вода станет непригодной для использования, если она становится загрязненной. Такая вода становится больше опасной в качестве питьевой воды. В тех районах, где породы, перекрывающие водоносный пласт легко проницаемые – тогда загрязнители могут легко проникать в подземные воды. Подземная вода может быть загрязнена проникновением в пласт вредных веществ из свалок мусора, выгребных ям, из поврежденных подземных емкостей, используемых, например, в качестве хранилищ нефтепродуктов, от избыточного употребления удобрений, либо пестицидов на полях, как показано на следующем рисунке. Кроме того, в приморских странах при чрезмерном отборе подземной воды питьевого качества может происходить подток морских соленых вод, которые будут замещать пресную воду в подземных водоносных горизонтах.

Однако, при аккуратном использовании подземной воды и предотвращении угрозы ее загрязнения подземные воды останутся важным природным источником для в ближайшем будущем.

Особенности грунтовых вод

· Это безнапорные воды и перемещаются под действием силы тяжести

· Питание их осуществляется преимущественно за счет инфильтрации атмосферных осадков и конденсации влаги в зоне аэрации

· Разгрузка происходит у основания склонов в поверхностные водоемы и водотоки, с которыми грунтовые воды имеют гидравлическую связь

· Вследствие воздействия приповерхностных факторов уровень, дебит, температура и другие параметры грунтовых вод подвержены колебаниям во времени

· Неглубокое залегание и интенсивный подземный сток вызывают формирование преимущественно пресных грунтовых вод, но при недостаточном увлажнении территории они становятся минерализованными и солеными.

Условия питания и распространения грунтовых вод. Питание грунтовых вод осуществляется через зону аэрации за счет инфильтрации атмосферных осадков (дождевых, талых и паводковых вод) и конденсирующейся влаги в зоне аэрации.

Величина инфильтрации зависит от продолжительности выпадения осадков. Наибольшее значение дают длительные обложные дожди. Зимние осадки могут служить источником питания грунтовых вод весной после оттаивания промерзших пород.

В местах нарушения водоупорного перекрытия (гидрогеологические окна) грунтовые воды могут пополняться за счет подтока напорных вод из расположенных ниже пластов если напорный уровень превышает отметки грунтовых вод.

Разгрузка грунтовых вод происходит через рассеянные и сосредоточенные выходы, пластовые высачивания или в заболоченные места. Иногда такие участки протягиваются вдоль склона холмов в виде заболоченной полосы.

Характер залегания грунтовых вод зависит от многих факторов (условий питания, водопроницаемости пород, конфигурации берегов водоемов и водотоков, с которыми грунтовые воды имеют гидравлическую связь, положения водоупорного пласта и т.п.). Поверхность грунтовых вод отражают на карте гидроизогипс.

Гидроизогипсами называют линии, соединяющие точки с одинаковыми абсолютными, или относительными отметками уровня грунтовых вод.

Глубина уровня грунтовых вод часто зависит от рельефа местности. Поэтому поверхность грунтовых водоносных горизонтов нередко повторяет в сглаженном виде рельеф. В речных долинах, балках оврагах и других понижениях рельефа грунтовые воды находятся на сравнительно небольшой глубине, а на водоразделах глубина залегания может достигать нескольких десятков метров.

Режим грунтовых вод, т.е. процесс изменения их количества и качества во времени, крайне непостоянен и зависит от воздействия на них природных или искусственных факторов. Режим, определяемый только природными факторами называют естественным или ненарушенным, тогда как при влиянии на его формирование искусственных факторов – его называют нарушенным.

Напорные подземные воды. Напорными называют подземные воды в подземных горизонтах, перекрытых и подстилаемых водоупорными или относительно водоупорными пластами и обладающие гидростатическим напором. Последний вызывает подъем уровня воды над кровлей при вскрытии скважинами. При благоприятных условиях скважины дают фонтанирующую воду. Однако не везде водоносный горизонт с напорными водами дает самоизлив.

Для напорных вод характерны следующие особенности:

· Это межпластовые воды, горизонты и комплексы которых изолированы сверху и снизу водоупорами

· Область питания и создания напора вод и область их распространения не совпадают и часто удалены одна от другой на большие расстояния

· При вскрытии напорного водоносного горизонта появление воды в скважине всегда отмечается глубже по сравнению с установившимся уровнем, если уровень устанавливается выше земной поверхности, то скважина фонтанирует

· Режим этих вод более стабилен по сравнению с режимом грунтовых вод. Поверхностные факторы оказывают на него гораздо меньшее влияние

· В верхней части разреза напорные воды пресные, а с глубиной их минерализация возрастает.

Условия питания и распространения. Среди природных емкостей напорных вод основными являются бассейны пластовых вод и моноклинальные бассейны пластовых вод.

Под бассейном пластовых вод понимают совокупность напорных водоносных горизонтов или комплексов, залегающих в синклинальных структурах, где движение подземных вод происходит под влиянием гидростатического напора.

Водоносные комплексы напорного типа отличаются относительно небольшим размером области питания (создания напора) по сравнению с площалью стока (развития напора). Иногда питание напорных вод осуществляется путем подтока из нижележащего горизонта. Подток обычно происходит по тектонически ослабленным зонам или через относительные водоупоры. Иногда эти воды гидравлически связаны с грунтовыми на участках, где размыты перекрывающие водонепроницаемые пласты.

Область распространения напора находится внутри основной площади напорного бассейна; в ее пределах водоносным горизонтам (комплексам) свойственны напорные уровни, которые принято называть пьезометрическими. Расстояние по вертикали от кровли водоносного горизонта до пьезометрического уровня называют напором подземных вод. Напор характеризует запас потенциальной энергии воды.

Пьезометрический уровень определяют по измерениям в скважинах, вскрывших водоносный горизонт. Характер поверхности, составленный пьезометрическими уровнями на картах изображают гидроизопьезами. Гидроизопьезы – это линии, соединяющие точки с одинаковыми абсолютными отметками пьезометрического уровня.

Элизионные воды. Кроме напорных вод, находящихся под гидростатическим напором, существуют воды с иным источником напора и питания. Их выделяют в самостоятельную группу. Различия в геологическом строении районов распространения и факторов напорности глубинных вод обусловливают их деление на воды:

· Бассейнов пластовых вод

· Кристаллического фундамента, в том числе – древних щитов

· Различного рода разломов глубокого заложения в тектонически активных областях.

В первом случае и отчасти во второмпреобладают пассивные причины (гравитация, пластичность пород, присутствие углеводородов и т.д.), в третьем – колоссальные эндогенные силы. Соответственно на противоположных полюсах будут находиться воды с элизионным и эндогенным питанием.

Наиболее типичные случаи распространения элизионных вод характерны для бассейнов пластовых вод. Напрмер, основная масса вод гидрогеодинамической зоны весьма затрудненного водообмена, воды нефтяных и газовых залежей. Пластичные осадочные породы обладают наилучшими свойствами с одной стороны, для изоляции подземных вод от влияния гидростатического напора, а с другой – для возникновения и сохранения гидрогеодинамических аномалий.

Как правило, для скважин, вскрывающих элизинные воды, характерен пульсирующий режим излива. Их дебит быстро, реже постепенно снижается вследствие релаксации пластового давления. Такой режим присущ и рассолам Припятского прогиба. Общим для глубинных рассолов является быстрое истощение дебита. Глубина залегания таких вод изменяется существенно. Иногда «запечатанные» линзообразные залежи рассолов с аномально высоким пластовым давлением (АВПД) встречаются всего на 0,4 – 0,5 км ниже земной поверхности.

В формировании ресурсов элизионных вод участвуют воды различного происхождения, но чаще всего они являются полигенетическим образованием. Занимая самые нижние горизонты, элизионые воды в соответствии с нормальной гидрогеохимической зональностью обычно минерализованные. Более того, они могут быть предельно насыщенными с минерализацией свыше 500 г/дм³. Очень часто глубинные воды содержат в повышенных количествах ряд макро- и микрокомпонентов (редкие щелочи, бром, фтор, стронций, литий, тяжелые металлы и т.п.).

Лекция

ГИДРОГЕОДИНАМИКА

Первые работы по гидродинамике подземных вод (1856 г.) принадлежат французским ученым А. Дарси и Ж. Дюпюи. Первый установил основной закон фильтрации, названный впоследствии линейным законом Дарси (известен и нелинейный закон Дарси). Второй применил закон Дарси к определению расхода подземных вод и притока воды к скважине. Закон Дарси описывает движение флюида через пористую среду. В дальнейшем изложении мы не будем рассматривать движение сжимаемых жидкостей, неньютоновских жидкостей и многофазного течения флюидов.

Рисунок – Упрощенная схема движения воды к скважине в зоне насыщения.

Величина гидростатического давления Р в данной точке на глубине h определяется:

Р = Р₀ + γ·h, ( 1 )

Где Р₀ – гидростатическое давление на свободной поверхности жидкости (атмосферное);

γ·h – избыточное гидростатическое давление столба жидкости высотой h;

γ· - плотность жидкости.

Уравнение неразрывности объема жидкости выражает закон сохранения массы жидкости.

Энергетический потенциал струйки идеальной жидкости определяется уравнением Бернулли (выражает закон сохранения энергии)

, ( 2 ),

где – пьезометрическая высота, вызванная гидростатическим давлением Р жидкости;

z – высота рассматриваемой точки относительно плоскости сравнения;

ν – скорость движения жидкости;

g – ускорение силы тяжести;

ν²/2g – высота скоростного напора;

Сумму первых двух членов в ( 2 ) называют напором, или пьезометрическим напором

Н = Р/g + z.

При этом ( 2 ) преобразуется к виду:

Н + ν²/2g = const (3)

Если бы идеальная жидкость двигалась без трения и с постоянной скоростью, то пьезометрический напор был бы одинаковым во всех точках струйки.

Рисунок - Тубка (струйка) ламинарного течения воды через пористую среду.

Реальная жидкость имеет вязкость и часть энергии теряется на преодоление сил трения, что приводит к падению напора по пути движения жидкости. В гидравлической системе жидкость перемещается за счет разности напоров (от более высокого напора к менее высокому).

Силы инерции (определяются скоростным напором ν²/2gоказывают меньшее влияние на движение свободной гравитационной воды.

Понятие о фильтрации. В горных породах, насыщенных водой она находится в разных состояниях от химически связанной до свободной, которая и заполняет поровое и трещинное пространство. Она и представляет собой основную форму движения подземной воды через сообщающиеся между собой поры, каверны и трещины.

В гидрогеодинамике принято рассматривать не движение воды в каждом отдельном канале, соединяющем трещины, а обобщенно, т.е. через всё поперечное сечение фильтрующей среды в целом.

Скорость фильтрации относится к важнейшей характеристике движеня подземной воды. Она характеризует количество воды, протекающей в единицу времени через единицу площади поперечного сечения пористой среды. Если обозначить объемный расход воды, фильтрующейся в единицу времени через Q, а площадь поперечного сечения фильтрующей среды через F, то скорость фильтрации ν можно записать в виде

. ( 4 )

Размерность скорости фильтрации будет:

.

Используют также и другие единицы измерения: м/сут, см/сут.

Заметим, что скорость фильтрации получена как если бы вода фильтровалась не только через часть поперечного сечения, занимаемую порами, а через всю площадь сечения F (в том числе и занятую скелетом горной породы). C физической точки зрения скорость фильтрации представляет собой фиктивную среднюю скорость, с которой двигалась бы вода, если бы скелет горной породы отсутствовал в поперечном сечении вовсе. При этом всё сечение занимала бы вода.

При рассмотрении задач геогидродинамики (фильтрации подземных вод в пористой среде) подразумевается ламинарное (параллельно-струйное) течение, при котором вода в воображаемых струйках перемещаются параллельно без завихрений.

Турбулентное же движение, в отличие от ламинарного, имеет место при больших скоростях течения, при которых наблюдается вихреобразное течение, перемешивание отдельных струек и пульсация общего потока. В реальных природных условиях в подавляющем большинстве случаев преобладает ламинарное течение. Тубрулентное течение возможно, например, в призабойной зоне скважины при больших скоростях откачки воды, в близи инженерных сооружений.

Линейный закон фильтрации

Линейный закон фильтрации применим к ламинарному движению воды и был установлен экспериментально в 1856 г. Французским гидравликом Ф. Дарси. Проведенный им опыт поясняется на следующем рисунке:

В заполненную песком трубку слева подается вода, проходя фильтруясь через песок она сливается через вторую трубку справа. При этом поддерживаются постоянные уровни Н₁ и Н₂. Определяли расход воды в зависимости от разности уровней ΔН = Н₁ и Н₂, длины фильтра ΔL и его площади поперечного сечения F.

Было установлено, что количество воды Q прямо пропорционально Fи ΔН и обратно пропорционально длине пути фильтрации ΔL:

( 5 )

Где коэффициент k принято называть коэффициентом фильтрации.

Член = показывает как изменяется уровень вдоль пути фильтрации и называется напорным или гидравлическим градиентом (уклоном). Его часто обозначают как I. Если разделить обе части ( 5 ) на площадь F и с учетом того, что скорость фильтрации получим для закона Дарси выражение: