Рух підземних вод відбувається під дією сили тяжіння, градієнтів гідростатичного тиску і капілярних сил. Рух підземних вод в зонах аерації і насичення істотно різниться.
Рух вод може бути ламінарним або турбулентним. При ламінарному русі цівки води рухаються без завихрення, паралельно один одному, з невеликими швидкостями, тому іноді ламінарний рух називають параллельноструйчатим. Рух підземних вод в переважній більшості випадків є ламінарним.
Турбулентний рух характеризується великими швидкостями, вихреобразное, пульсацією і перемішуванням окремих струменів води. Воно має місце тільки в дуже великих порах або в широких тріщинах гірських порід при значних градієнтах (наприклад, поблизу свердловин, з яких виробляється інтенсивна відкачка води).
У зоні аерації відбувається проникнення атмосферних опадів і поверхневих вод в грунт, зване просочуванням (інфільтрацією). Розрізняють вільний просочування і нормальну інфільтрацію. У першому випадку рух води в ґрунті вертикально вниз відбувається під дією сили тяжіння і капілярних сил у вигляді ізольованих цівок по капілярних порах і окремим канальцям; при цьому пористе простір грунту залишається насиченим водою і в ньому зберігається рух атмосферного повітря, що виключає вплив гідростатичного тиску на рух води. У другому випадку рух води відбувається суцільним потоком під дією сили тяжіння, градієнтів гідростатичного тиску і капілярних сил; пори заповнені водою повністю.
Інфільтраційна вода може або досягти рівня грунтових вод і викликати його підвищення, або залишитися в зоні аерації у вигляді капілярно-підвішеній води.
У зоні насичення під дією сили тяжіння і гідростатичного тиску вільна (гравітаційна) вода по порах і тріщинах ґрунту переміщується в бік ухилу поверхні водоносного горизонту (рівня ґрунтових вод) або в сторону зменшення напору. Цей рух називається фільтрацією.
Згідно енциклопедичним визначенням, фільтрація - це рух рідини в пористому середовищі. Рух підземних вод відбувається не тільки в пористих, але і в тріщинуватих породах, а також в середовищах з більш складною геометрією вільного (фільтруючого) простору. Крім того, в зв'язку з різноманіттям видів води в гірських породах можливі різні види її руху і різні енергетичні сили, що визначають такий рух (рух молекул парообразующего
ної води, рух води під дією сил поверхневого натягу, дифузія і ін.). У гідрогеології під терміном «фільтрація підземних вод» розуміється рух вільної гравітаційної води, що відбувається під дією сили тяжіння або градієнта тиску (за умови повного насичення вільного простору водою). У багатьох випадках фільтрація підземних вод тісно пов'язана з іншими видами руху води, що існують в підземній гідросфері планети. Відповідно до цього останнім часом широко використовується термін «геофільтрації» (В.М. Шестаков) (фільтрація в геологічному середовищі), який об'єднує всі види руху води в гірських породах.
Якщо розглядати рух підземних вод через поперечний переріз будь-якого елементу підземної гідросфери, то в реальних умовах рух вільної (гравітаційної) води відбувається за системою взаємозалежних пустот в мінеральному кістяку гірської породи за вирахуванням частини перетину цих пустот, зайнятих пов'язаної водою, затисненим повітрям, газом та ін . Відносний обсяг такого вільного (фільтруючого) простору або частина поперечного перерізу елемента (при однорідної геометрії вільного простору) визначаються значенням коефіцієнтом а активної скважности гірської породи n (див. § 3.1). Для спрощення розрахунків умовно приймається, що рух води відбувається через весь поперечний переріз елемента, площа F (см2, м2 і т.д.) якого визначається в цьому випадку зі співвідношення
F = Вт, (8.1)
де В - ширина потоку, м; т - потужність потоку (пласта), м.
Реальна площа F 'поперечного перерізу потоку становить лише частина загального перетину і визначається з урахуванням величини активної скважности n.
а
Тим самим реальний природний потік гравітаційних підземних вод, що фільтрується по системі пір або тріщин, замінюється умовною потоком, який називається фільтраційним потоком підземних вод.
Витратою фільтраційного потоку Q називається кількість води, що проходить в одиницю часу через поперечний переріз потоку (см3 / с, л / с, м3 / добу і т.д.). Оскільки оцінка рас-
ходу може проводитися для потоків (елементів потоку), що мають різну ширину, введено поняття так званого питомої (одиничного) витрати потоку q, під яким розуміється кількість води, що проходить в одиницю часу через поперечний переріз потоку при ширині 1 м (см3 / с, л / с, м3 / добу і т.д.).
Швидкість фільтрації (швидкість фільтраційного потоку) Уф (см / с, м / сут і т.д.) - кількість води, яке проходить в одиницю часу через одиницю поперечного перерізу потоку (пласта):
де Q - витрата фільтраційного потоку, см3 / с, м3 / добу; F - площа поперечного перерізу, см2, м2.
Оскільки в пористої середовищі площа поперечного перерізу більше сумарної площі пір, швидкість фільтрації завжди менше дійсної швидкості руху води v в порах грунту. Чим більше пористість, тим менше розходження в v і v ^^
(8.4)
гдер '- коефіцієнт пористості, виражений в частках одиниці, p' = p / 100.
Рух вільної (гравітаційної) води як при нормальній інфільтрації в зоні аерації, так і при фільтрації в зоні насичення має в дрібнопористих грунтах ламінарний режим і підпорядковується залежності, яку стосовно до руху підземних вод записують у вигляді закону фільтрації Дарсі
ФФ
де Уф - швидкість фільтрації; Кф - коефіцієнт фільтрації; I - гідравлічний ухил, рівний або ухилу поверхні рівня ґрунтових безнапірних вод (цей ухил пропорційний поздовжньої складової сили тяжіння), або градієнту п'єзометричного напору (пропорційного градієнту гідростатичного тиску) у напірних артезіанських вод.
Коефіцієнт фільтрації характеризує водопроникність грунтів. Він залежить від кількості і розміру пір і від властивостей фільтрується рідини. Коефіцієнт фільтрації, як це випливає з формули Дарсі (8.5), чисельно дорівнює швидкості фільтрації при гідравлічному ухилі, рівному 1.
Коефіцієнт фільтрації виражають в одиницях швидкості: м / сут, м / ч, м / с, см / с, мм / хв і т.д. Це - дуже важлива характеристика, яка використовується при вивченні руху підземних вод. Коефіцієнт фільтрації відображає водопроникні властивості грунту (див. § 3.2). Орієнтовні значення коефіцієнта фільтрації для деяких грунтів наведені в табл. 6. При порівнянні коефіцієнтів фільтрації і пористості грунтів звертає на себе увагу факт різкого зменшення коефіцієнтів фільтрації у суглинків і глин, незважаючи на їх підвищену пористість. Пояснюється це тим, що дрібні пори цих грунтів заповнені плівковою і капілярної водою, що перешкоджає руху вільної (гравітаційної) води. Коефіцієнт фільтрації зазвичай визначають експериментальним шляхом.
Основними гідродинамічними елементами фільтраційного потоку є п'єзометричний натиск і напірний градієнт.
П'єзометричний натиск. Поняття про напорі води введено в науку російським ученим Д. Бернуллі. За його визначенням, величина напору H виражається наступним рівнянням:
де P - гідростатичний тиск в досліджуваній точці потоку води; src = "http://uchebniki-besplatno.com/files/uch_group51/uch_pgroup252/uch_uch667/image/50.jpg" alt = "" /> - об'ємна вага води; z - висота досліджуваної точки
потоку над обраною площиною порівняння напорів; - швидкісний напір.
Величина в потоці підземних вод дуже мала, нею
зазвичай нехтують, і натиск підземних вод визначають за рівнянням
(8.7)
Величина відома під назвою пьезометр
ний натиск і є мірою енергії потоку рухається
рідини, а отношеніеесть пьезометрические висота,
характеризує «енергію тиску».
Пьезометрические висота h - це висота, на яку повинна підніматися вода над цією точкою потоку під впливом
гідростатичного тиску P в цій точці. У разі грунтового потоку пьезометрические висота дорівнює глибині занурення даної точки від дзеркала грунтових вод, а в разі напірних вод - глибиною занурення точки від пьезометрической поверхні цих вод (рис. 16).
Мал. 16. Схема потоку підземних вод з вільною поверхнею:
1 - породи водоносного горизонту і зони аерації; 2 - слабопроницаемих породи;
3 - вільний рівень підземних вод; 4 - п'єзометри (свердловини); 5 - напрямок
руху потоку підземних вод
Оскільки аналізовані точки потоку можуть займати різновисотних положення, енергія потоку в двох точках повинна бути приведена до єдиної площини порівняння: z1 і z2 - відстані (м) від розглянутих точок до обраної (єдиної) площині порівняння ( «енергія положення»).
У зв'язку з відносно малими змінами швидкості руху підземних вод (від перетину до перетину) швидкісний натиск в даному випадку може не враховуватися. Тоді в кожній точці загальна енергія потоку підземних вод (напір) визначається виразом
H = h + z. (8.8)
При визначенні напору Н підземних вод в якості площині порівняння може бути обрана поверхню підстильного водоупора (в разі її горизонтального положення) або будь-яка горизонтальна поверхня. При положенні площині порівняння на поверхні водоупора натиск підземних вод чисельно дорівнює потужності потоку в даному перетині (Н1 = т1, Н2 = т2). У реальних умовах при порівнянні напору підземних вод в різних точках потоку в якості єдиної площини порівняння зазвичай приймається рівень Світового океану (z = 0). У цьому випадку (рис. 16) величина напору (м) дорівнює абсолютній відмітці рівня, до якого піднімається вода під дією гідростатичного тиску в даній точці потоку (так званий сталий рівень води). Оцінка напору в абсолютних позначках усталеного рівня води є зручною при необхідності порівняння величин напору підземних вод, заміряних в різних точках підземної гідросфери.
При русі рідини в пористому середовищі (фільтрація) або русі потоку підземних вод в природному середовищі напір (енергія потоку) витрачається на подолання сил тертя, в зв'язку з чим п'єзометричний натиск зменшується (на величину АН) у напрямку руху потоку підземних вод. Таким чином, можна вважати, що у всіх випадках рух підземних вод відбувається від області (ділянки, точки і ін.) З великим напором до області з меншим напором (рис. 16).
Напірний градієнт. Втрата напору підземних вод (АН, м) на ділянці між розглянутими перерізами потоку (див. Рис. 16), віднесена до відстані між перетинами (L - довжина шляху фільтрації, м), називається градієнтом п'єзометричного напору (напірним градієнтом) і визначається з виразу
Таким чином, значення напірного градієнта I характеризує втрату п'єзометричного напору на одиницю довжини шляху фільтрації. Знак «-» в натуральному вираженні (8.9) вказує, що величина напору зменшується у напрямку руху підземних вод (зі збільшенням х).
8.2. Лінійний закон фільтрації Дарсі
Основний закон фільтрації експериментально встановлений французьким гідравлікою Анрі Дарсі в 1856 р на підставі дослідів з дослідження руху води через трубки, заповнені піском (рис. 17).
Мал. 17. Схема досвіду Дарсі
За результатами цих дослідів А. Дарсі сформулював висновок (закон) про те, що кількість води (Q), що проходить через трубку, заповнену дисперсним матеріалом, прямо пропорційно різниці рівнів () в крайніх перетинах трубки,
прямо пропорційно площі поперечного перерізу трубки (F), обернено пропорційно довжині трубки (L - довжина шляху фільтрації) і прямо пропорційно постійному для даного матеріалу коефіцієнту (K), що характеризує проникність матеріалу, що заповнює трубку. Таким чином, в загальному вигляді закон Дарсі (основний закон фільтрації) може бути виражений формулою
(8.10)
де Q - витрата води (потоку), см3 / с; К - коефіцієнт пропорційності, см / с; F - площа поперечного перерізу труби, см2; Н1 і Н2 - значення п'єзометричного напору в крайніх перетинах, см; L - довжина трубки (шляху фільтрації), см; I - значення напірного градієнта.
При оцінці значення витрати води через одиничне поперечний переріз потоку
(8.11)
де q - питома або одиничний витрата потоку, см3 / с, м3 / добу; т - потужність потоку, см, м; 1m = f - площа поперечного перерізу потоку при одиничної ширині, см2, м2.
При розподілі обох частин рівняння (8.10) на площу поперечного перерізу потоку (F) отримуємо
Питання для самоконтролю У чому полягає відмінність руху води в зонах аерації і насичення? У чому суть понять «фільтрація підземних вод», «витрата потоку», «одиничний витрата потоку», «швидкість фільтрації», «справжня швидкість руху підземних вод»? Що таке натиск і напірний градієнт, пьезометрические висота (h) і відстань до площини порівняння (z)? В яких формах можна висловити основний закон фільтрації для витрати потоку, одиничного витрати потоку і швидкості фільтрації? Які межі застосування закону Дарсі?