3.2 Гідрогеологічне картування Теоретичні відомості

Гідрогеологічне картування – це метод узагальнення і графічного відображення результатів гідрогеологічних досліджень. Гідрогеологічні карти відображають зв’язок геологічної структури, рельєфу та підземних вод. В процесі гідрогеологічних досліджень для вирішення багатьох завдань (виявлення умов формування і руйнування родовищ корисних копалин, міграції хімічних і біологічних компонентів, прогнозу зміни якості підземних вод тощо), часто виникає необхідність визначення напрямку і швидкості руху підземних вод.

Напрямок руху підземних вод співпадає з уклоном поверхні їх рівня. Він не є постійним і змінюється в залежності від умов живлення і дренування водоносного горизонту. Основним методом визначення напрямку руху потоку підземних вод є використання карт гідроізогіпс або гідроізоп’єз за даними буріння свердловин, що у вигляді певної сітки розташовані на вибраній ділянці. Карта гідроизогипс – карта, на якій відображається положення дзеркала ґрунтових вод у вигляді гідроизогипс. Гідроізогіпси – це лінії, що з'єднують точки з однаковими абсолютними або відносними відмітками поверхні (дзеркала) ґрунтових вод. Перпендикуляр проведений до ізоліній рівнів води по схилу потоку й покаже напрямок руху (рис. 3.1).

Рисунок 3.1 – Карта гідроізогіпс за даними буріння 4 свердловин

Оскільки рівень ґрунтових вод постійно змінюється під впливом різних природних чинників, то карту гідроізогіпс можна складати тільки за результатами одночасних або близьких за часом (один-два дні) вимірів. Карти гідроізогіпс складають в масштабах від 1:10000 до 1:200000. В залежності від призначення карти, гідроізогіпси можуть проводитися через 0,25…0,5 чи 1,0 м.

При відсутності карт для встановлення відмітки рівня підземних вод закладають 3 свердловини, які розташовують у вигляді рівнобічного трикутника, відстань між вершинами якого від 50 до 100 м (в залежності від рельєфу і розмірів дослідної ділянки). За встановленими позначками рівня шляхом інтерполяції складають план ізоліній, за яким визначають напрямок руху потоку підземних вод.

Карта гідроізогіпс дозволяє також визначити величину ухилу ґрунтового потоку, глибину і характер залягання рівня ґрунтових вод та його співвідношення з рельєфом місцевості, заболочені ділянки, а також ділянки можливого заболочування при підйомі води. В той же час побудова карти гідроізогіпс в зонах промислової забудови та житлових масивів дає можливість виявити джерела техногенних втрат води та прогнозувати можливий характер підтоплення майданчиків в подальшому і тим самим оцінювати його екологічний вплив на навколишнє середовище та розвиток інженерно-геологічних процесів.

Знаючи гідравлічний ухил і коефіцієнт фільтрації, розраховують швидкість фільтрації підземних вод за законом Дарсі:

v=k_ф∙I, (3.1)

де k_ф – коефіцієнт фільтрації; I – гідравлічний ухил.

Для визначення гідравлічного ухилу (градієнту потоку) різниця відміток двох суміжних гідроізогіпс ділиться на відстань між ними по нормальному до них напряму:

І=(Н₁ – Н₂)/L (3.2)

де H₁ і H₂ – величини гідродинамічного напору в різних перерізах потоку, м;, L – відстань між перерізами, м.

Дійсна швидкість руху підземних вод, враховуючи пористість порід, які проводять воду, визначається за формулою:

, (3.3)

де n₀ – активна пористість.

Оцінка конвективного переносу забруднення в підземних водах. Для практичних розрахунків конвективного переносу забруднення в підземних водах використовують загальне рівняння швидкості міграції по шляху l:

, (3.4)

де l і t – відповідно шлях і час міграції; k_ф – коефіцієнт фільтрації; n₀ – активна пористість породи; I – гідравлічний ухил в розрахунковій точці.

Шлях міграції Dl з рівняння (3.4) за даний період часу Dt визначається за формулою:

, (3.5)

Час підходу забрудненої води до пункту А в природних умовах обчислюється за формулою:

t_ф=l/u, (3.6)

де l – відстань від осередку забруднення до пункту А, м; u – дійсна швидкість фільтрації води, м/добу.

Відстань від осередку забруднення до пункту А визначається по лінії току.

Приклад. За даними, що наведені в табл. 3.5 визначити напрям, швидкість фільтрації і дійсну швидкість руху підземних вод по трьох свердловинах, що розташовані (у плані) в кутах рівностороннього трикутника.

Таблиця 3.5

Номер свердловини	Абсолютна відмітка устя свердловини, м	Глибина залягання рівня підземних вод, м	Коефіцієнт фільтрації Кф, м/добу	Пористість, %	Відстань між свердловинами, м	Масштаб плану
1	52	13	7,1	38	50	1:1000
2	40	10
3	64	11

Для визначення напрямку руху підземних вод за трьома свердловинами креслимо (в масштабі) план розташування свердловин (рис.3.2).

Рисунок 3.2 – Карта гідроізогіпс за даними буріння 3 свердловин

Біля кожної свердловини вказуємо в чисельнику її номер, а в знаменнику – абсолютну відмітку рівня підземних вод (РПВ). Цю відмітку розраховуємо як різницю між абсолютною відміткою устя свердловини і глибиною залягання РПВ. На лінії між свердловинами з максимальною і мінімальною відмітками РПВ шляхом лінійної інтерполяції знаходимо відмітку середньої свердловини. Отриману теоретичним шляхом відмітку з'єднуємо з фактичною середньою відміткою відрізком прямої, яка і буде гідроізогіпсою. На отриману гідроізогіпсу із свердловини з найбільшою відміткою РПВ опускаємо перпендикуляр, який і покаже напрям руху підземних вод. Напрям потоку, перпендикулярний гідроізогіпсі і спрямований убік зниження РПВ, показуємо стрілкою.

Швидкість фільтрації обчислюємо між двома будь-якими точками, що розташовані по напрямку потоку, за законом Дарсі. Для цього за побудованою картою гідроізогіпс визначаємо відстань між перерізами L (довжина перпендикуляру з врахуванням масштабу карти):

L=28мм∙1000=28м.

Розраховуємо гідравлічний ухил за формулою:

де H₁ і H₂ – величини гідродинамічного напору в різних перерізах потоку, м;, L – відстань між перерізами, м.

Розраховуємо швидкість фільтрації підземних вод за формулою:

де К_ф – коефіцієнт фільтрації; I – гідравлічний ухил.

Розраховуємо дійсну швидкість руху підземних вод за формулою:

де n₀ – активна пористість.

Практичне завдання: Використовуючи наведені в табл. 3.6 дані, визначити напрямок, швидкість фільтрації і дійсну швидкість руху підземних вод по трьох свердловинах, що розташовані (у плані) в кутах рівностороннього трикутника. Розрахувати відстань, на яку перемістилося забруднення за 5 років після формування ореола забруднення. Розрахувати час підходу забруднення до пункту А.

Таблиця 3.6

Варіант	Номер свердловини	Абсолютна відмітка устя свердловини, м	Глибина залягання рівня підземних вод, м	Коефіцієнт фільтрації, kф, м/добу	Пористість, %	Відстань між свердловинами, м	Масштаб плану	відстань від осередку забруднення до пункту А, км
1	2	3	4	5	6	7	8	9
1	1	58	8	2,3	39	90	1:1000	2,0
	2	52	11
	3	50	10
2	1	101	9	4,8	43	50	1:500	1,5
	2	106	10
	3	115	12
3	1	73	5	8,3	38	60	1:500	3,3
	2	68	6
	3	83	8
4	1	73	5	5,9	41	100	1:1000	5,0
	2	63	4
	3	58	2
5	1	88	6	5,4	42	100	1:1000	15,0
	2	78	8
	3	110	10
6	1	102	12	4,1	40	60	1:500	8,7
	2	97	10
	3	93	8
7	1	156	40	8,6	38	80	1:1000	4,9
	2	150	38
	3	165	45
8	1	66	12	5,1	42	70	1:1000	11,9
	2	59	10
	3	55	9
9	1	284	58	4,5	39	65	1:500	14,5
	2	270	56
	3	260	50
10	1	38	5	5,2	41	70	1:1000	6,9
	2	20	6
	3	25	5
11	1	66	8	8,3	39	100	1:1000	2,0
	2	54	11
	3	50	10
12	1	101	9	5,9	38	80	1:1000	1,5
	2	104	10
	3	110	12
13	1	75	5	5,4	42	60	1:500	3,3
	2	68	6
	3	83	8
14	1	72	5	4,1	39	100	1:1000	5,0
	2	63	4
	3	58	2

Продовження таблиці 3.7

1	2	3	4	5		6	7	8		9
15	1	86	6	8,6		41	90	1:1000		15,0
	2	78	8
	3	110	10
16	1	102	12	4,3	42		60		1:500	8,6
	2	96	10
	3	93	8
17	1	155	40	6,8	38		100		1:1000	4,9
	2	150	38
	3	165	45
18	1	66	12	5,1	42		80		1:1000	11,9
	2	59	10
	3	55	9
19	1	284	58	4,5	39		50		1:500	14,5
	2	270	56
	3	260	50
20	1	34	5	5,2	41		70		1:1000	6,9
	2	20	6
	3	24	5
21	1	65	8	2,3	39		60		1:500	12,0
	2	57	11
	3	50	10
22	1	100	9	4,5	41		100		1:1000	2,5
	2	108	10
	3	119	12
23	1	74	5	8,3	38		60		1:500	13,3
	2	68	6
	3	83	8
24	1	93	5	5,9	41		100		1:1000	5,0
	2	66	4
	3	58	2
25	1	86	6	5,4	43		90		1:1000	14,0
	2	78	8
	3	100	10
26	1	109	12	4,1	40		60		1:500	8,7
	2	97	10
	3	93	8
27	1	155	40	8,6	38		100		1:1000	4,9
	2	150	38
	3	165	45
28	1	66	12	5,1	42		80		1:1000	11,9
	2	59	10
	3	55	9
29	1	288	58	4,7	39		85		1:1000	4,5
	2	270	56
	3	260	50
30	1	170	5	5,0	43		75		1:1000	6,9
	2	120	6
	3	135	5