7. Основные виды движения подземных вод
Следует различать движение воды, которое происходит в порах и трещинах, не насыщенных водой, от движения ее в водонасыщенных пластах. Ненасыщенные породы обычно встречаются в зоне аэрации, где влага перемещается или в парообразном состоянии, или в виде пленочной, капиллярной и гравитационной воды. Степень подвижности воды зависит от формы связи её с частицами пород и от величины пор. Водяные пары передвигаются из мест с большой упругостью в места с меньшей упругостью, летом в зоне аэрации пар передвигается сверху вниз, а зимой снизу вверх. Капиллярная подвешенная вода движется под действием менисковых сил, а поднятая может передавать гидростатическое давление (рис. 16,17), пленочная вода - под действием молекулярных сил и электрического заряда (полярность молекул воды).
Рис.16. Схема капиллярного поднятия воды.
Рис. 17. Разновидности капиллярной воды.
I – капиллярно – подвешенная вода; II – капиллярно-поднятая вода.
Естественная конвекция происходит под влиянием различия (градиента) плотности внутри жидкости. Молекулярно-диффузное движение связано с медленным перемещением водных масс и растворенного вещества под влиянием градиента концентрации (концентрационная диффузия), температуры (термодиффузия) и давления (бародиффузия).
Просачивание (фильтрация) воды через зону аэрации может происходить или в виде свободного стекания воды, или при сильном увлажнении, в виде просачивания под напором. Во втором случае поры породы целиком заполнены водой, и дальнейшее её движение из верхних слоев в нижние происходит путем передачи напора. Этот вид движения называется нормальной ламинарной инфильтрацией. Кроме того, в подземных водных потоках изредка может наблюдаться турбулентное движение (в основном в карстовых пустотах), для которого характерны высокие скорости, приближающиеся к таковым у поверхностных водотоках.
Основные вопросы динамики подземных вод касаются движения воды непосредственно в водоносных горизонтах, где оно происходит путём передачи гидростатического давления от участков с более высоким уровнем воды к участкам с более низким уровнем.
7.1.Элементы фильтрационного потока. Закон Дарси
Фильтрационный поток – это условный поток жидкости через пористое (трещинное) пространство. Условность заключается в допущении, что фильтрационный поток идет через всю породу. Реальный поток движется только по открытым (сообщающимся) трещинам и порам.
К элементам фильтрационного потока относятся пьезометрический напор (рис.18), напорный градиент (h), линии равных напоров (гидроизопьезы) или уровней (гидроизогипсы), линии тока, гидродинамическая сетка (рис.19), скорость фильтрации и расход потока.
Рис. 18. Схема формирования пьезометрического напора подземных вод.
|
H=
|
где, Н – пьезометрический напор;
P – гидростатическое давление в данной точке потока;
γ – удельный вес (плотность) воды;
Z – высота (отметка) данной точки потока над выбранной плоскостью сравнения.
|
|
Начало изучению движения воды в пористых породах положил французский исследователь А. Дарси, который в середине XIX века установил основной (линейный) закон фильтрации в пористой среде (закон Дарси), ввел понятие коэффициента фильтрации.
Рис. 19 . Гидродинамическая сетка подземных вод, элементы фильтрационного потока.
В дальнейшем учение о движении вод развивалось с учетом природной обстановки движения жидкости в горных породах, в частности в трещиноватых породах и др. Более детально это рассматривается в курсе «Динамика подземных вод».
Закон Дарси гласит: количество воды Q, просачивающееся через породу в единицу времени, пропорционально падению напора h и площади поперечного сечения породы F и обратно пропорционально длине пути фильтрации ℓ, измеряемой по направлению движения воды (рис.20).
|
|
Или 
Рис. 20. Закон Дарси, элементы фильтрационного потока.
где K – коэффициент фильтрации, м/сутки;
или
–
напорный градиент или гидравлический
градиент (падение напора (уровня) на
единицу пути фильтрации).
Закон Дарси применим не только для вертикального движения жидкости, но и для движения ее в любом направлении, в том числе и слабо наклонном (субгоризонтальном).
Выразим уравнение через скорость движения жидкости:
Q=V·F,
разделив обе части уравнения Дарси на F, получим:
|
V= K∙I |
т.е. при I=1 V= K, т.е. коэффициент фильтрации - это скорость фильтрации воды при I = 1.
Однако скорость фильтрации V=K*I не представляет собой действительной скорости движения воды в порах, а является величиной, отнесенной ко всему сечению. Чтобы получить действительную скорость нужно разделить V на коэффициент пористости n:
Закон Дарси характеризует граничные пределы ламинарного (струйчатого) движения воды в горных породах, им и ограничиваются условия его применения.