Геология / Новая папка (3) / __5__ УП ГИДРОГЕОЛ.КАРТЫ

Существует несколько видов областей питания и создания напора. Они могут быть открытыми и закрытыми. Открытые, обычно, представлены площадью, где идет современное инфильтрационное питание, поглощение речного стока. Закрытые области питания более разнообразны: перелив по зонам тектонических разрывов, контакт с другим водоносным горизонтом, поступление воды из вышеили ниже расположенных водоносных горизонтов и мн. др.

Подземные воды области питания не обладают напором, имеют непосредственную связь с атмосферой, часто дренируются местной гидрографической сетью.

ОБЛАСТЬ НАПОРА - основная площадь развития артезианского бассейна, в

пределах которой уровень подземных вод залегает выше кровли водоносных комплексов и горизонтов. Этот уровень называется напорным или пьезомет-

рическим (от итал. «пиéзо» - давлю, «мéтрео» - меряю), а расстояние от кров-

ли водоносного горизонта до данного уровня – напором.

Напор артезианских вод обеспечивается постоянным гидростатическим давлением. Оно вызвано перепадом высотных отметок области питания и области разгрузки, подобно сообщающимся сосудам. В случае формирования гидростатического напора происходит передача давления на кровлю водоносного горизонта при изменении его мощности и, следовательно, массы вышележащих пород.

Кроме того, действуют упругие свойства воды и вмещающих еѐ горных пород (упругий режим напорных вод) и др. Напор такого типа называется гид-

ростатическим или пьезометрическим.

Пьезометрические уровни выражаются в абсолютных отметках. Уровень может быть положительным и отрицательным; в первом случае он залегает выше поверхности земли, во втором – ниже.

Необходимо отметить, что эти понятия являются условными, так как положительный уровень может перейти в отрицательный (при интенсивной эксплуатации напорного горизонта), а отрицательный – в положительный (при улучшении питания горизонта, например искусственным путѐм с помощью нагнетательных или водопоглощающих скважин).

Разное положение уровней напорных водоносных горизонтов определяет различные способы отбора воды из артезианских скважин:

–при отрицательном уровне воду извлекают насосами;

–при положительном пьезометрическом уровне необходимо установить величину самоизлива (фонтанирования) над устьем скважины. Это делает-

ся с помощью манометра при герметично закрытом устье или наращиванием обсадных труб. Только после этого скважину обустраивают для отбора воды.

Высота столба воды, отсчитываемая в метрах от кровли водоносного пла-

ста, называется напором над кровлей водоносного пласта h (рисунок 20). К

абсолютным отметкам кровли водоносного горизонта прибавляют величины напоров или из абсолютной отметки поверхности вычитают отметку пьезометрического уровня.

51

Рисунок 20 Графическое изображение напорности подземных вод:

Н – пьезометрический напор от плоскости сравнения 0-0; НП - пьезометрический напор от подошвы водоносного пласта;

h – напор над кровлей пласта

Истинное значение напорности выражает пьезометрический напор Н, который отсчитывается от плоскости сравнения 0-0 (уровень моря) до пьезометрического уровня. Этот метод измерения является предпочтительным. Иногда

высота пьезометрического напора отсчитывается от подошвы напорного водоносного пласта Нп.

На всѐм протяжении области напора воды находятся под постоянным действием пьезометрического напора. Из-за перепада отметок, по мере приближения к осевой части синклинального прогиба он возрастает. Под отрицательными формами рельефа наблюдается пьезометрические минимумы. В платформенных условиях пьезометрическая поверхность повторяет в общих чертах форму современного рельефа.

Искусственное понижение напорного уровня может быть вызвано длительной откачкой воды эксплуатационными скважинами.

ОБЛАСТЬ РАЗГРУЗКИ - область выхода напорных вод на поверхность земли. Она располагается в местах с минимальными абсолютными отметками рельефа (долины рек, озѐрные впадины, побережья морей).

Выделяют открытые и закрытые области разгрузки. К открытым областям можно отнести:

o естественные выходы (источники, гейзеры, наледи, термокарстовые озера и т.п.);

o искусственные выходы – эксплуатационные и другие скважины, колодцы.

Закрытые области разгрузки встречаются на дне морей, в русле рек или под аллювиальными отложениями.

52

Разгрузка проявляется:

в виде восходящих источников (грифонов, концентрированных струй и др.); в отложениях речных долин;

путем подземного перелива по зонам тектонических разломов в другой водоносный горизонт;

перетеканием через относительно проницаемые породы кровли или подошвы.

Иногда напорные воды в области разгрузки смешиваются с грунтовыми и становятся ненапорными.

Прямая линия, соединяющая уровень области питания напорных вод с уровнем их разгрузки, называется линией пьезометрИческого уровня. Она полностью совпадает с областью распространения напора.

Общее направление движения артезианских вод наблюдается от области питания к области разгрузки

Артезианские подземные воды имеют чрезвычайно большое народно - хозяйственное значение, т.к. они обильны и не загрязнены. Поэтому, если химический состав вод соответствует требованиям ГОСТов, то они используются для водоснабжения городов, населенных пунктов, промышленных предприятий, железнодорожных станций и т.п.

Их недостатком является большая глубина залегания водоносных горизон-

тов.

Кроме межпластовых вод под избыточным напором или давлением могут находиться трещинные, карстовые, межмерзлотные и особенно подмерзлотные воды. Они обладают напором, независимо от структурной приуроченности, т. к. не имеют свободного выхода на поверхность.

4.1.2Режим напорных вод

Вцелом режим артезианских вод изучен слабо. Известно, что он более стабилен, чем у грунтовых вод, т.к. физико-географические факторы оказывают на него меньшее влияние.

Артезианские водоносные горизонты обладают упругим режимом, что связано с упругостью горных пород и насыщающих их вод. Благодаря этому при эксплуатации водоносного горизонта водоотбор из скважин сказывается на небольших расстояниях, т.е. мгновенного понижения уровня воды в скважинах и в областях питания не происходит.

Проявление упругого режима в артезианском водоносном горизонте может происходить под влиянием естественных и искусственных причин. К естественным относятся изменения атмосферного давления и уровня грунтовых вод: области питания, морские приливы и отливы, землетрясения.

К искусственным: водозабор с помощью скважин из напорных горизонтов и непостоянство режима их работы и т.д. Несколько лучше изучен режим

53

артезианских вод, режим которых тесно связан с режимом грунтовых вод, режимом метеорологических факторов и т.д.

Пьезометрический уровень подвержен лишь небольшим сезонным и месячным колебаниям, поэтому при его замерах сроки выполнения работ не играют решающей роли.

Температура воды с увеличением глубины закономерно повышается, изменяется и химический состав вод.

4.1.3 Общие сведения о картах гидроизопьез

Характер пьезометрической поверхности напорного водоносного горизон-

та отображают ГИДРОИЗОПЬÉЗЫ (от греч. hydor – вода; isos – равны; piezo –

давлю) – это линии, соединяющие точки с одинаковыми отметками напорного уровня воды. Иногда их называют изопьезами или пьезоизогипсами.

КАРТА ГИДРОИЗОПЬЕЗ представляет собой совокупность таких линий на плане или на топографической основе. Она строится по абсолютным (реже относительным) отметкам установившихся пьезометрических уровней. Масштабы карт могут быть от 1:200000 до 1:10000 и крупнее. В учебных целях для небольшого по площади строительного участка карту строят в масштабе

1:1000.

При изучении нескольких артезианских горизонтов в одном гидрогеологическом разрезе карты гидроизопьез строятся для каждого горизонта отдельно.

Карта гидроизопьез необходима для определения на практике целого ряда важных гидрогеологических параметров. Она помогает выявить особенности формирования, строения и залегания напорного водоносного горизонта. По такой карте можно определить уклон пьезометрической поверхности, направление движения потоков артезианских вод и условия их формирования. Если карта построена на топооснове того же масштаба, она позволяет выделить участки возможного самоизлива напорных вод. Кроме того, с помощью карты гидроизопьез решают задачу практического использования артезианских вод для водоснабжения, и организации защиты от напорных вод при вскрытии кровли водоносного горизонта строительными котлованами и т.д.

4.2 Практическая часть Построение и анализ карты гидроизопьез

4.2.1 Методика построения карты гидроизопьез

Методика построения карты гидроизопьез аналогична построению любых других гидрогеологических карт.

54

1. Выбрать исходные данные для своего варианта (таблица 331):

номерá скважин; абсолютные отметки подошвы верхнего водоупора (кровли водоносного пласта);

высота напора над подошвой верхнего водоупора (кровлей водоносного пласта); коэффициент фильтрации грунта.

	Таблица 331 -			Исходные данные
№31								НОМЕРА СКВАЖИН
	1	2	3	4		5	6	7	8	9	10	11	12		13	14	15	16
ВАРИАНТ	Абсолютная отметка подошвы верхнего водоупора (кровли водоносного пласта), м
	58,4	58,5	58,7	58,8		60,0	69,0	59,2	59,0	59,0	59,3	58,4	58,5		57,2	57,0	56,8	56,8
	Высота напора над подошвой верхнего водоупора (кровлей водоносного пласта), м
	8,0	8,0	8,0	8,0		10,0	10,0	9,3	9,0	9,0	9,1	8,0	8,0		7,0	7,0	6,7	6,5
				Абсолютная отметка пьезометрического уровня, м
	?	?	?	?		?	?	?	?	?	?	?	?		?	?	?	?
					КОЭФФИЦИЕНТ ФИЛЬТРАЦИИ Кф = 2,2 м/сут

Данная таблица считается готовой к выполнению работы, когда в неѐ будут з а- несены значения абсолютных отметок пьезометрического уровня (табл. 331'). Они могут быть получены суммированием абсолютной отметки подошвы верхнего водоупора (кровли водоносного пласта) и высоты напора над подошвой верхнего водоупора (кровлей водоносного пласта) (табл. 331'). Абсолютные отметки пьезометрического уровня и будут основой для построения карты гидроизопьез.

ВАРИАНТ №31

Таблица 331'				- Исходные данные, готовые к работе
							НОМЕРА СКВАЖИН
1	2	3		4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15	16
Абсолютная отметка подошвы верхнего водоупора (кровли водоносного пласта), м
58,4	58,5	58,7		58,8	60,0	69,0	59,2	59,0	59,0	59,3	58,4	58,5	57,2	57,0	56,8	56,8
Высота напора над подошвой верхнего водоупора (кровлей водоносного пласта), м
8,0	8,0	8,0		8,0	10,0	10,0	9,3	9,0	9,0	9,1	8,0	8,0	7,0	7,0	6,7	6,5
				Абсолютная отметка пьезометрического уровня, м
66,4	66,5	66,7		66,8	70,0	70,0	68,5	68,0	68,0	68,4	66,4	66,5	64,2	64,0	63,5	63,3

КОЭФФИЦИЕНТ ФИЛЬТРАЦИИ Кф = 2,2 м/сут

Для нахождения глубины устоявшегося пьезометрического уровня, из абсолютной отметки поверхности земли (устья скважины) вычитают абсолютную отметку пьезометрического уровня.

2. Построить квадратную сетку скважин, в заданном масштабе (1:1000) стро-

го учитывая их расположение на местности или на карте.

В работе предлагаются данные по 16 скважинам, расположенным в 50 метрах друг от друга на четырѐх параллельных створах, расстояние между которыми тоже составляет 50 метров. Исходя из этого, вычерчиваются 9 квадра-

55

тов, в углах которых расположены скважины, обозначенные небольшими кружками.

3. Скважины пронумеровать по порядку слева направо. Рядом с каждой скважиной в виде дроби подписать абсолютную отметку подошвы верхнего водоупора (кровли водоносного пласта, м) – в числителе, и высоту напора над подошвой верхнего водоупора (кровлей водоносного пласта, м) – в знаменателе.

4. Найти промежуточные отметки между соседними скважинами в соответствии с заданным сечением (1 м):

а) интерполяцию удобно производить с помощью палетки (рисунки 6, 7); б) карта может строиться методом ручной линейной интерполяции с применением формулы, отображающей равенство отношений для двух соседних скважин (рисунок 8).

5. Изобразить пьезометрическую поверхность по абсолютным отметкам пье-

зометрического уровня. Точки с одинаковыми значениями соединить плавными линиями, имеющими выпуклость, направленную в сторону меньших отметок.

4.2.2 Методика определения гидрогеологических параметров

по карте гидроизопьез

1.Установить направление движения напорных вод.

Вкаждом квадрате карты провести стрелки, перпендикулярные гидро-

изопьезам и направленные от бóльших отметок пьезометрического уровня к мéньшим. Эти стрелки соответствуют линиям токов напорных вод. Подобно другим гидрогеологическим картам, сочетание линий токов с линиями равных пьезометрических уровней (гидроизопьез) образует гидродинамическую сетку в плане (карта) и в разрезе.

2.Определить форму напорного потока (или потоков) (рисунок 12).

3.Проверить направление движения напорных вод «способом трѐх скважин»

(рисунки 14, 15).

4.Рассчитать величину пьезометрического уклона (J) на двух участках.

На карте гидроизопьез найти разность величин пьезометрических уровней

в двух любых точках карты: с наибольшей величиной пьезометрического уровня Н2 и Б – с наименьшей величиной Н1. Полученное число разделить на ре-

альное расстоянию между точками (L), измеренное по нормали: J = (Н2 - Н1 ) /L.

Чем гуще гидроизопьезы, тем гидравлический уклон больше и наобо-

рот.

56

5.Вычислить скорость движения напорного потока по формуле v=J∙Кф . Она находится в прямой зависимости от величины гидравлического уклона J и коэффициента фильтрации горных пород Кф .

6.Установить изменение мощности водоносного горизонта или водопроницаемости пород.

Всоответствии с законом Дарси, величина пьезометрического уклона на-

ходится в обратной зависимости от коэффициента фильтрации пород, а так же от ширины и мощности потока. Следовательно, сгущение гидроизопьез (увеличение уклона), обычно, свидетельствует об уменьшении мощности и ширины потока или об уменьшении водопроницаемости пород.

7.Определить глубину залегания установившегося уровня вычитанием аб-

солютной отметки пьезометрического уровня из абсолютной отметки поверхности земли.

8.Выделить участки с самоизливающимися артезианскими водами по кар-

те гидроизопьез, совмещѐнной с топоосновой.

На участках, где абсолютные отметки пьезометрических уровней выше гипсометрических отметок поверхности земли, вода будет свободно изливаться

или даже фонтанировать (положительный уровень).

В других местах она будет подниматься только до пьезометрического уровня (отрицательный уровень).

9. Определить по карте область питания и область разгрузки напорных вод.

Для областей питания и создания напора характерны максимальные отметки гидроизопьез.

Для областей разгрузки характерны минимальные отметки гидроизопьез.

10. Количественно оценить напорный водоносный горизонт по результатам изменения напоров воды в скважинах.

В пределах изучаемого водоносного горизонта определяют, в которой из скважин минимальный и максимальный напор.

57

4.2.3 Пример оформления практической работы №3

58

4.2.4 Общая характеристика карты гидроизопьез

Вариант №31

Направление движения подземных вод на участке указывают стрелки: с

запада на восток, северо-восток и юго-восток.

Поток напорных вод на участке радиально-расходящийся.

Область питания и создания напора находится в районе скважин №5 и №6.

Области разгрузки находятся за северной, восточной и южной границами участка. В этих направлениях текут напорные воды.

Густота гидроизогипс на карте имеет прямую связь с величиной гидравлического уклона и скоростью движения подземных вод.

Величина гидравлического уклона в квадрате с редко расположенными гидроизопьезами (3) при величине пьезометрических уровней в точке А=68,0 м

и в точке Б=67 м и реальном расстоянии между этими точками 34 м:

J1 = (68,0 - 67,0) / 34,0 = 0,029.

В квадрате с более частыми гидроизопьезами (7) при величине пьезометрических уровней в точке В=65,0 м и в точке Г=68,0 м и реальном расстоянии

между этими точками 40 м:

J2= (68,0 - 65,0) / 40,0 = 0,075, то есть более чем в два раза превышает J1

Скорость движения напорного потока на участке с редкими гидроизо-

пьезами (между точками А и Б в квадрате №3)				v1 = 0,029 ∙ 5,0 = 0,145 м/сут.
На участке с более частыми гидроизопьезами (между точками В и Г в
квадрате	№7),	скорость	движения	напорного	потока равна

v2 = 0,075 ∙ 5,0 = 0,375 м/сут., то есть более чем в два раза превышает v1

Ширина потока напорных вод, судя по направлению линий токов на кар-

те, в северной части несколько больше, чем в южной.

Участки с самоизливающимися артезианскими водами можно про-

гнозировать в квадратах с минимальными пьезометрическими отметками, если отметки поверхности земли выше них на 1,0 – 1,2 м. При таком положительном пьезометрическом уровне происходит заболачивание территории. Квадрат, в котором абсолютные отметки пьезометрического уровня, находились бы ниже абсолютных отметок поверхности земли на 5-7 м, подземные воды будут подниматься только до пьезометрического уровня, не выходя на земную поверхность.

Такие сведения можно получить по карте гидроизопьез, совмещѐнной с то-

поосновой. Данная карта гидроизопьез построена без точной топографической основы, поэтому выделение на ней участков с положительными и отрицательными пьезометрическими уровнями не представляется возможным.

Напоры воды снижены по скважинам в северном и в южном направлениях.

Максимальными напорами характеризуются скважины №5 и №6. Минимальны напоры в скважинах №15 и №16.

59

4.3 Задание к практической работе №3:

Пробурено 16 скважин (по 4 скважины на четырѐх параллельных створах). Расстояние между створами и между скважинами – по 50 метров.

В скважинах сделаны замеры абсолютных отметок кровли верхнего водоупора, высоты напора над кровлей водоносного пласта и коэффициента фильтрации. Составлена таблица, содержащая сведения об этих параметрах (таблица 3).

Построить карту гидроизопьез в масштабе 1:1000 через 1,0 м.

По карте определить:

1)направление движения напорных вод.

2)форму напорного потока (или потоков).

3)область питания напорных вод.

4)область разгрузки напорных вод.

5)проверить направление движения напорных вод «способом трѐх скважин».

6)величину пьезометрического уклона (J) на двух участках – с максимальной и

минимальной густотой гидроизопьез.

7)скорость движения напорного потока по формуле v=J∙Кф

8)изменение мощности водоносного горизонта или водопроницаемости пород.

9)участки с самоизливающимися артезианскими водами по карте гидроизопьез, совмещѐнной с топоосновой.

10)количественно оценить напорный водоносный горизонт.

4.4Контрольные вопросы

1.В каких геологических структурах встречаются напорные воды?

2.Какие из подземных вод называют артезианскими и почему?

3.Какие области выделяют в районах распространения напорных вод?

4.Что такое гидроизопьезы?

5.Каков порядок расчѐта мест выхода гидроизопьез между скважинами?

6.Как называется карта, отражающая поверхность пьезометрических уровней?

7.Что такое кровля артезианского водоносного слоя и с чем она контактирует?

8.Как определяется величина напора?

9.Как находится абсолютная отметка напора (пьезометрического уровня)?

10.Какие гидрогеологические показатели можно определить по карте гидроизопьез?

11.В чѐм преимущество артезианских вод перед грунтовыми?

60