Глава 5. Динамика и режим подземных вод -|27
t воды, °С
4
Q, л/с
К / \
/ \
\
/
/
/
/
L-2
I
\
/
16
ГЪ
О
Co
r>
О
О
$
гъ
Э
/
А/г. 5.4. Графическое изображение изменений дебита источника, температуры и минерализации подземных вод. совмещенное с данными внутригодового распределения атмосферных осадков и температуры воздуха:
/ — температура подземных вод (°С); 2 — дебит источника (л/с): .? — минерализация воды (мг/л); 4 — температура воздуха (°С);
М, мг/л 160
80
где Q}At — сумма приходных и расходных статей водного баланса элемента: (+) — приток, (-) — отток подземных вод, м3/сут, км3/год и др.; At — длительность расчетного периода (сут, год и др.); А К — изменение объема запасов подземных вод (м3, км3).
Термин "запасы подземных вод" используется и гидрогеологии в разных значениях (см. гл. 14). В этом случае пол запасами подземных вод понимается общий объем воды, содержащейся в рассматриваемом элементе гидросферы (1'и = ы(| К), где со,, — полная влагоемкость. Т — объем элемента, 1/ — естественные запасы подземных вод или геологические запасы (по Б.И. Куделину). В том случае, если за расчетный период времени (при постоянном объеме и емкости элемента) не происходит изменения запасов подземных вод (1/ = const), уравне-
П
ние (5.18) принимает вид: = 0, поскольку в этом случае величины нри-
1 '
гока и отгока подземных вод за любой расчетный период равны между собой.
Приток подземных вод к рассматриваемому элементу (+) — поступление, пополнение запасов, приходные статьи водного баланса — называется обычно питанием подземных вод), (-) — отток, сработка запасов, расходные статьи баланса — разгрузкой подземных вод.
Конкретный вид уравнения водного баланса определяется строением рассматриваемого элемента гидросферы, его размерами, гидродинамическими условиями на границах элемента и, как правило, является значительно более сложным (см. гл. 2).
Подземный сток. Под подземным стоком понимается процесс движения гравитационных подземных вод в зоне полного насыщения земной коры (см. рис. 2.1), формирующийся как часть общего круговорота воды на Земле (гидрологическая ветвь подземного круговорота воды). Численно подземный сток может быть охарактеризован расходом подземных вод (приток подземных вод к границам рассматриваемого элемента или отток через границы) (м3/сут, км3/год и др.), а также удельными характеристиками (линейным, площадным, или объемным модулем подземного стока):
(519)
где Л/, — линейный модуль подземного стока, характеризующий расход потока на I км линейной границы расчетного района (участка), л/с-км.; Мп — площадной модуль подземного стока — расход на 1 км2 площади расчетного района, л/с • км2; Му объемный модуль подземного стока — расход подземных вод на 1 км3 рассматриваемого элемента литосферы, л/с • км3; L — длина линейной границы, км; F — площадь расчетного элемента (района), км2; V — объем элемента подземной гидросферы, км3.
Выражения в модульной форме, особенно в виде площадного модуля (Ми), удобны при необходимости сравнения распределения величин подземного стока на площади двух или нескольких районов.
Площадная характеристика подземного стока может быть выражена также слоем подземного стока, представляющим собой слой воды (мм) на всю площадь рассматриваемого расчетного элемента (района) за определенный период времени. Площадной модуль и годовой слой подземного стока связаны между собой простым соотношением:
(5.20)
где Yu — слой подземного стока, мм/год; МП — площадной модуль подземного стока, л/с - км2; 31,5 — коэффициент, учитывающий размерность величин.
Помимо величин модуля и слоя подземный сток может быть выражен также относительной характеристикой — коэффициентом подземного стока:
(5.21)
Кп = ^-100%, х
где Ки — коэффициент подземного стока, равный отношению годового слоя подземного стока (мм/год) к годовой сумме атмосферных осадков (мм/год).
Коэффициент подземного стока (по смыслу) характеризует ту часть (%) атмосферных осадков, которая расходуется на формирование подземного стока рассматриваемого района.
Интенсивность подземного стока в любом элементе подземной гидросферы может быть охарактеризована также сроком водообмена и коэффициентом водообмена (Г.Н. Каменский). Срок водообмена рассчитывается как отношение геологических запасов подземных вод рассматриваемого элемента подземной гидросферы (объем воды — VH м3, км3) к суммарному расходу (суммарный приток к границам расчетного элемента или суммарный отток через границы, м3/год, км3/год):
(5.22)
и характеризует длительность периода (число лет), за время которого может произойти полное возобновление (полный однократный водообмен — один цикл водообмена) объема геологических запасов подземных вод рассматриваемого элемента подземной гидросферы за счет притока подземных вод к его границам.
Срок водообмена является удобной количественной характеристикой при необходимости сравнения интенсивное™ процессов движения подземных вод (водообмена) в различных элементах подземной гидросферы. Он. строго говоря, не характеризует период, за который обязательно произойдет полное возобновление подземных вод. содержащихся в рассматриваемом элементе гидросферы, поскольку при сложном строении элемента интенсивность движения подземных вол в разных его частях может быть различной. Однако срок водообмена характеризует период, в течение которого такое возобновление потенциально может произойти, так как суммарный расход за этот период будет равен объему подземных вод, содержащемуся в рассматриваемом элементе гидросферы. Расчеты сроков водообмена во всех случаях должны производиться лля элементов подземной гидросферы, ограниченных естественными границами или имеющих сопоставимые размеры (объем расчетных блоков), поскольку при условной разбивке элемента на расчетные блоки срок водообмена не является объективной характеристикой интенсивности движения подземных вод (т —> 0 при К—>0).
Коэффициент водообмена выражается отношением
I
(5.23)
А' =9-, 1 V
гоя
и является характеристикой, которая показывает, какая часть от суммарного объема подземных вод (%„ доли единицы) может возобновиться в течение года в результате суммарного притока (оттока) подземных вод к границам рассматриваемого элемента.
Потоки подземных вод. При анализе закономерностей движения подземных вод подземная часть гидросферы планеты (геогидросфера) рассматривается как сложная система (совокупность) в различной степени взаимосвязанных потоков подземных вод (см. гл. 2). Представление о потоках подземных вод рассмотрено Г.Н. Каменским, Н.И. Ходжибаевым и особенно подробно В.М. Шестаковым (1979). В отличие от этих представлений под потоком подземных вод будем понимать ограниченный естественными границами элемент подземной гидросферы с единым направлением (едиными направлениями) движения подземных вод.
В гидрогеодинампке (В.М. Шестаков, И.К. Ганич) термин "поток подземных вол" используется как более общее понятие, применимое к любым образом ограниченному (выделенному) элементу подземной гидросферы. Однако в этом случае правильнее говорить не о потоке, а о балансово-гидродинамическом элементе подземной гидросферы.
Все естественные границы потоков подземных вод подразделяются на границы двух типов: так называемые непроницаемые границы, изолирующие смежные потоки подземных вод, и условные естественные границы, через которые возможно взаимодействие (наличие расхода) двух смежных потоков подземных вод. Естественными непроницаемыми границами потоков являются водоразделы., под которыми аналогично поверхностным водоразделам понимаются линии с наиболее высоким положением поверхности подземных вод, разделяющие потоки с различными направлениями движения, дрены, и границы (контакты) водоносных и слабопроницаемых пород.
Границы водоносных и слабопроницаемых пород являются основным типом границ потока в разрезе и реже границами потоков в плане (по площади распространения). В большинстве случаев границы подобного типа не являются абсолютно непроницаемыми, и через них осуществляется затрудненное взаимодействие двух смежных потоков подземных вод (см. гл. 8).
В качестве естественных границ второго типа (с условием взаимодействия двух смежных потоков подземных вод) обычно рассматриваются границы геологических структур, геологических формаций, субформаций и литогенетических комплексов горных пород, границы геоморфологических элементов современной поверхности и др.
В связи с многообразием естественных границ потоков подземных вод и отсутствием четких представлении о принципах их выделения понятие “ноток подземных вод" до настоящего времени используется главным образом как термин свободного пользования. Отсутствуют четкие представления о типах естественных потоков подземных вод и их соподчинении (потоки I, 2, 3 и друз их порядков). Понятия о мегапотоках, «ложечных потоках и др. (В.М. Шестаков) являются в значительной мере условными.
Гидродинамическая сетка потока подземных вод. При наличии в пределах рассматриваемого потока определенного количества точек с известными значениями пьезометрического напора (рис. 5.5) эти точки (или промежуточные, определяемые путем интерполяции) могут быть соединены плавными кривыми линиями — линии равного напора (Н= const).
Линии, проведенные нормально к линиям равного напора, обобщенно характеризующие направление движения подземных вод на данном участке потока (от области с большими напорами к области с меньшими напорами), называются линиями токов.
Система взаимно ортогональных линий тока и линий равного напора образует гидродинамическую сетку потока подземных вод. Участок сетки, ограниченный двумя соседними линиями тока, называется лентой тока.
Ячейка, образованная при пересечении двух линий токов с двумя линиями равного напора, называется элементом гидродинамической сетки (рис. 5.5).
Рис. 5.5. Гидродинамическая сетка потока подземных вод / — линии равного напора; 2 — линии токов; 3 — лента тока; 4 — точки с измеренной величиной напора (Я) подземных вод
При построении гидродинамической сетки необходимо соблюдение следующих основных правил (Гавич, 1983):
1) линии токов проводятся нормально к линиям равных напоров, так чтобы образующиеся ячейки (элементы сетки) являлись в общем случае криволинейными квадратами или прямоугольниками;
линии равного напора проводятся через одинаковые интервалы напора (АН), которые выбираются произвольно согласно зависимости Н° = аАН, где Н°=НШКС (Ямакс, Ямин) - напоры на границах рассматриваемой области потока), а — число принятых интервалов.
Гидродинамическая сетка является основой для проведения расчетов скоростей и расходов фильтрационного потока. В пределах каждого элемента сетки (ленты тока)
v = Ki-LZrd = KiIi' (5'24)
(#i - НЛ
Q = bimi lAL-2 <5-25>
где т. — мощность потока в пределах рассматриваемого элемента
сетки или ленты тока, м; Ь- — ширина элемента или ленты тока, м;
остальные обозначения — в тексте.
Характер деформации гидродинамической сетки в пространстве определяет так называемую структуру фильтрационного потока. Естественные потоки подземных вод в большинстве случаев являются потоками трехмерными (пространственными), в которых гидродинамическая сетка деформируется по трем координатам. Более простыми по структуре являются двухмерные (плоские) потоки, для которых принимается, что деформация гидродинамической сетки происходит в основном по двум пространственным координатам. При этом поток, рассматриваемый в разрезе, называется профильным (плосковертикальным) и поток, рассматриваемый в плане, — плановым (плоскоплановым). В том случае, если линии токов (следовательно, и линии равных напоров) располагаются параллельно друг другу, поток называется параллельным (плоскопараллельным). При расположении линий равного напора в виде концентрических окружностей поток называется радиальным (радиально сходящийся, радиально расходящийся).
Большинство естественных плоских потоков являются потоками сложной конфигурации, и только на отдельных участках, особенно часто вблизи искусственных сооружений (каналы, скважины и др.), они могут быть сведены к параллельным или радиальным потокам.
В плановых потоках (плоских в плане) учитывается в основном деформация линий тока в плане, а в вертикальном сечении (в разрезе) поток принимается плоскопараллельным. Это допустимо главным образом для потоков большой протяженности, длина которых значительно превышает их мощность (условно /> Зт), что позволяет не учитывать изменения напоров по вертикали.
В плосковертикальных (профильных) потоках учитывается только деформация линий тока в вертикальной плоскости (в разрезе), а в плане поток принимается плоскопараллельным. При этом ширина профильного потока (В) обычно принимается равной I м.
Режим потока определяется изменением элементов потока (сетки) во времени. По характеру гидродинамического режима потоки подразделяются на стационарные, квазистационарные и нестационарные. Стационарными (установившимися) называются потоки подземных вод, элементы которых не меняются во времени или эти изменения являются несущественными. Квазистацио- нарными — потоки, в которых во всех точках потока изменение напоров подземных вод за рассматриваемый период (At) происходит с одним знаком и на одну и ту же величину, в связи с чем конфигурация гидродинамической сетки остается без изменений.
В большинстве случаев режим естественных потоков подземных вод является нестационарным (неустановившимся), поскольку элементы потока (конфигурация гидродинамической сетки) в той или иной мере изменяются во времени. Однако во многих случаях за конечный (расчетный) период времени режим естественных потоков подземных вод может рассматриваться в качестве стационарного или квазистационарного.
Вопросы к главе 5
Фильтрационный поток. Понятия “расход потока”, “единичный расход потока". “скорость фильтрации", "действительная скорость движения подземных вод".
Напор и напорный градиент. Пьезометрическая высота (И) и расстояние до плоскости сравнения (z).
Формы выражения основного закона фильтрации для расхода потока, единичного расхода потока и скорости фильтрации.
Понятие “проводимость" (водопроводимость, коэффициент водопроводимости) пласта.
“ Верхний” и “нижний" пределы применимости закона Дарси.
Понятие “режим подземных вод". Основные типы режима. Формы выражения результатов режимных наблюдений.
Общий вид уравнения водного баланса элемента подземной гидросферы.
“Модуль”, “слой" и “коэффициент" подземного стока, “срок водообмена" и “коэффициент водообмена".
Гидродинамическая сетка потока подземных вод. Типы потоков подземных вод по структуре и режиму.
- Глава 1
- Единство природных вод Земли
- Поверхностная часть гидросферы.
- Глава 2
- Виды воды в горных породах
- Строение подземной гидросферы (гидрогеосферы)
- Глава 2. Состав и строение подземной гидросферы
- Глава 3
- Скважность (пустотность) горных пород
- Влажность и влагоемкость
- Проницаемость
- Глава 4
- Вода как химическое вещество (строение молекулы, структура, свойства, изотопный состав)
- Физические свойства подземных вод
- Состав подземных вод
- Факторы и процессы формирования химического состава подземных вод
- Глава 5
- Фильтрационный поток
- Закон Дарси
- Режим и баланс подземных вод
- Глава 5. Динамика и режим подземных вод -|27
- Глава 6
- Глава 7
- Воды зоны аэрации
- Грунтовые воды
- 7.2.1. Питание и разгрузка грунтовых вод
- Режим и баланс грунтовых вод
- Формирование химического состава
- Зональность грунтовых вод
- Глава 7. Грунтовые воды и воды зоны аэрации q3
- Глава 8 межпластовые воды
- Глава 9
- Трещинные воды
- Трещинно-карстовые воды
- Глава 10
- Глава 10. Артезианские бассейны платформенного типа 259
- Глава 11
- Гидрогеологические массивы
- Гидрогеология складчатых областей
- Артезианские бассейны межгорного типа
- 272 Часть III. Основы региональной гидрогеологии
- Адартезианские бассейны
- Вулканогенные массивы
- Глава 12
- Глава 12. Подземные воды области распространения... (криолитозоны) 289
- Основные типы подземных вод области распространения ммп
- 12.2. Криогенное преобразование гидрогеологических структур
- Глава 13
- Режим и баланс грунтовых вод
- 318 Часть III. Основы региональной гидрогеологии
- Формирование химического состава подземных вод
- Глава 14
- Глава 15
- Лечебные минеральные воды
- Промышленные воды
- Теплоэнергетические воды
- Глава 16 охрана подземных вод
- Охрана подземных вод от истощения
- Охрана и защита подземных вод от загрязнения
- Глава 17
- Глава 18
- Гидрогеологическое бурение
- Опытно-фильтрационные работы
- Гидрогеологический мониторинг
- Глава 1
- Глава 2
- Глава 3
- Глава 4
- Глава 5
- Глава 6
- Глава 7
- Глава 8
- Глава 9
- Глава 10
- Глава 11
- Глава 12
- Глава 13
- Глава 14
- Глава 15
- Глава 16
- Глава 17
- Глава 18
- Часть II