Наиболее опасными загрязнителями окружающей среды являются ядовитые и радиоактивные вещества, продукты горения (особенно высокотемпературного), поверхностно-активные вещества (ПАВ) и пестициды. Ядовитые и радиоактивные вещества поступают в окружающую среду исключительно за счёт промышленных выбросов. То же самое относится, в основном, и к продуктам горения и поверхностно-активным веществам, но определённая часть их поступает и из бытовых источников. Пестициды (ядохимикаты) попадают в результате сельскохозяйственной деятельности. Загрязнение подземных вод перечисленными веществами менее значительно по сравнению с поверхностными водами, почвами, растительностью и воздухом,однако, оно тоже имеет место, главным образом для неглубоко залегающих грунтовых водах, хотя в отдельных случаях [интенсивная трещиноватость перекрывающих горных пород, подземные горные выработки (особенно заброшенные буровые скважины)] загрязнители могут попадать и в глубоко залегающие межпластовые воды. Пестициды подразделяются на гербициды (для уничтожения сорняков), инсектициды (для уничтожения насекомых), акарициды (для уничтожения клещей), авиациды (для борьбы с птицами) и зооциды. Для человеческого организма наибольщую опасность представляют зооциды и некоторые виды авиацидов, и даже малейшее присутствие их в подземных питьевых водах является недопустимым. Из продуктов горения наибольшую опасность представляет оксид углерода (СО, так называемый «угарный газ») и диоксин (органическое вещество со сложной химической формулой, возникающее при высокотемпературном сжигании бытового мусора).
III. ОСНОВЫ ДИНАМИКИ ПОДЗЕМНЫХ ВОД
ТИПЫ ТЕЧЕНИЯ ЖИДКОСТЕЙ. Существует три типа течения жидкостей: ламинарное, турбулентное, вязко-пластичное. Прежде, чем переходить к их характеристике, небходимо познакомиться с термином линия тока. Линией тока называется линия в потоке жидкости, каждая точка которой совпадает с направлением течения потока (точнее: касательная к каждой точке которой совпадает с направлением течения потока).
Главной особенностью ламинарного течения является то, что все его линии тока взаимно параллельны. При турбулентном течении линии тока не являются взаимно параллельными, они то сближаются, то расходятся, то петляют, образуя водовороты и другие завихрения. Критерий, разделяющий ламинарное и туррбуленьное течение, назывется числом Рейнольдса (Re), представляющим собой отношение произведения плотности жидкости, её скорости и характерного линейного размера поперечного сечения потокак коэффициенту вязкости жидкости. Для каждого вида потока (труба, канава, река, канал и т.д.) есть своё критическое значение числа Рейнольдса, ниже которого течение происходит ламинарно, а выше которого – турбулентно. Вязко-пластичное течение осуществляется крайне медленно и характерно не только для жидкостей, но и для твёрдых веществ. Считается, что этот тип течения воды наблюдается в горных породах, малопроницаемых и непроницаемых для гравитационной воды (тяжёлые суглинки и глины).
ПОНЯТИЕ О РАСХОДЕ ПОТОКА. Расходом потока называется объём воды, проходящий за единицу времени через данное поперечное сечение потока:
Q = V / t,
где Q - расход потока, м3 / c (или м3 / сутки),
V - объём воды, м3 ,
t - время, с (или сутки).
Вполне понятно, что объём потока является произведением площади поперечного сечения потока на выбранную длину потока (например, 1 м). Следовательно:
Q = (L ∙ ω) / t,
где Q - расход потока, м3 / c (или м3 / сутки),
L - длина потока, м,
ω - площадь поперечного сечения потока, м2 ,
t - время, с (или сутки).
Поскольку длина потока, делённая на время, является скоростью потока (L/t = v), формулу расхода потока можно выразить следующим образом:
Q = v · ω,
где Q – расход потока, м3 / с (или м3 / сутки),
v - скорость потока, м / с (или м / сутки),
ω – площадь поперечного сечения потока, м2 .
Необходимо подчеркнуть, что в гидрологии, гидротехнике, гидрогеологии и других науках о поверхностном и подземном водном стоке применяется именно последняя формула расхода воды. Буква ω является греческой и произносится «омега».
ПОНЯТИЕ О НАПОРЕ. Подземные воды являются гравитационными, т.е. подчиняются силе тяжести. Они текут от того места, где потенциальная энергия силы тяжести выше, к тому месту, где она ниже. Показателем потенциальной гравитационной энергии подземных вод (потенциальной энергии силы тяжести) является напор (данный важнейший термин динамики подземных вод нельзя смешивать с бытовым значением этого слова).
Термин напор применительно к гравитационной динамике жидкостей ввёл выдающийся швейцарский физик Даниил Бернулли, работавший в 1725-1733 гг., по приглашению Петра Первого в России, и опубликовавший сво ё знаменитое уравнение в 1738 г. Оно имеет следующий вид:
H = P / ρ + z + v2 / 2g,
где Н - напор в данной точке потока, м
Р - давление вышележащего столба жидкости, кгс/м2
ρ - плотность жидкости, кгс/м3
z - высота точки над поверхностью сравнения (напр., уровнем моря), м
v - скорость потока, м/c
g - ускорение силы тяжести, м/c2 .
В правой части уравнения первая составляющая называется напором давления (размерность – м), вторая составляющая – напором положения (размерность – м), третья составляющая называется гидродинамическим напором (размерность – м). Сумма двух первых составляющих называется гидростатическим напором. Поскольку скорость потока подземных вод несоизмеримо меньше ускорения силы тяжести, третья составляющая уравнения Бернулли (гидродинамический напор) в гидрогеологии не учитывается, а учитываются только первая и вторая составляющие уравнения. На нижеприведенном рисунке показан сосуд с жидкостью. Определим её напор в трёх точках: А, B, X. 
Предположим для простоты расчётов, что жидкость является дистиллированной водой с плотностью 1 г/см3 , а глубина воды в сосуде составляет ровно 10 метров. Предположим также, что точка А находится на глубине 3 метра (расстояние до дна сосуда 7 метров), точка В находится на глубине 9 метров (расстояние до дна 1 метр), а точка Х находится на поверхности воды, т.е. её глубина 0 метров, а расстояние до дна 10 метров. Напор в точке А, согласно уравнению Бернулли, складывается из весового давления столба воды над точкой, делённого на плотность воды, т.е. 3 метра, и высоты точки над дном сосуда, т.е. 7 метров. В итоге, напор в точке А равен: 3 м + 7 м = 10 м. Для точки В имеем соответственно 9 м + 1 м = 10 м, для точки Х: 0 м + 10 м = 10 м. Таким образом, значения напоров в жидкости, находящейся в сосуде, во всех точках одинаковы, в связи с чем жидкость находится в неподвижном состоянии.
НАПОРНЫЙ ГРАДИЕНТ. В жидкости, находящейся в состоянии движения, значения напоров в разных точках потока различны – течение жидкости происходит от точек с высокими значениями напора к точкам с более низкими его значениями. ЛинияПоверхность, которая соединяетющая точки с развными значениями напора, является у текущей жидкости наклонной. Степень наклона этой поверхности называется напорным градиентом. напорным градиентом. Напорный
градиентНапорный градиент представляет собой отношение разности напоров в двух точках потока, расположенных на одной линии тока (смотри начало главы III), к расстоянию между этими точками. Напорный градиент обозначается J и является величиной безразмерной.
J = (H1 – H2) / L1-2 , где J – напорный градиент, Н1 – напор в точке 1, Н2 – напор в точке 2,
L1-2 – длина линии тока (или пути фильтрации) между точками 1 и 2. Напорный градиент выисчисляется от точки с бόльшим напором к точке с меньшим напором и поэтому является всегда величиной положительной и безразмерной..
ЛИНЕЙНЫЙ ЗАКОН ФИЛЬТРАЦИИ ДАРСИ. Попытки найти основной закон движения подземных вод предпринимались многими учёными, включая таких выдающихся как И.Ньютон, Р.Гук, Э.Галлей, однако эта задача была решена только во второй половине XIX века (1856 г.) французским гидравликом Анри Дарси. В отличие от своих предшественников, пытавшихся решить проблему путём теоретических построений, Дарси решил её с помощью серии опытов по фильтрации воды через металлические трубы, наполненные песком. При этом гранулометрический состав песка и угол между трубой и земной поверхностью многократно изменялись.
В результате выполненных опытов Дарси получил данные, заставившие его пересмотреть фундаментальные положения динамики подземных вод. В качестве фильтрационного потока подземных вод был принят весь движущийся объём подземных вод, включая водовмещающую горную породу, а вместо действительной скорости движения подземных вод была принята скорость фильтрации, представляющая собой среднюю скорость движения фильтрационного потока, включающего водовмещающую горную породу.
Линейный закон фильтрации Дарси весьма прост: V = K∙J, где V – скорость фильтрации подземных вод, J – напорный градиент, К – коэффициент фильтрации горной породы. График линейного закона фильтрации Дарси приведен ниже. На оси абсцисс графика откладывается напорный градиент, на оси ординат – скорость фильтрации родземных вод, а коэффициент фильтрации горной породы, сквозь которую фильтруется вода, выражен на графике тангенсом угла a.
ПРЕДЕЛЫ ПРИМЕНИМОСТИ ЗАКОНА ДАРСИ. Линейный закон фильтрации Дарси применим только для ламинарного течения жидкостей. В том случае, когда скорость фильтрации повышается настолько, что достигается критическое значение числа Рейнольдса (смотри выше), течение воды становится турбулентным, и прямолинейность зависимости скорости фильтрации от напорного градиента нарушается. Для вязко-пластичного течения жидкостей линейный закон фильтрации Дарси также не применим, хотя этот тип течения жидкостей может быть представлен на графике закона Дарси (но в этом случае течение начинается не с нуля осей координат, а только после достижения некоторого определённого значения напорного градиента).
КОЭФФИЦИЕНТ ФИЛЬТРАЦИИ. ФИЗИЧЕСКИЙ СМЫСЛ И МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ. Коэффициент фильтрации является важнейшим показателем фильтрационных свойств горных пород (т.е. их способности пропускать сквозь себя подземные воды). Его физический смысл понятен из линейного закона фильтрации Дарси: коэффициент фильтрации представляет собой скорость фильтрации при напорном градиенте, равным единице. Соответственно, размерность коэффициента фильтрации представляет собой размерность скорости. Чаще всего, коэффициент фильтрации выражается в м/сутки. Существуют следующие методы определения коэффициента фильтрации: а) расчётный (с помощью эмпирических формул Слихтера, Хазена, Козени, Крюгера, Зауэрбрея и др.), б) лабораторный (с помощью приборов Тима, Каменского или трубки СПЕЦГЕО), в) полевой, выполняемый непосредственно на местности с помощью опытно-фильтрационных работ: наливов в шурфы и скважины, нагнетаний воды в скважины, откачек воды из скважин. Последний метод является наиболее эффективным, точным и широко применяемым при всех видах гидрогеологических исследованний.
ВИДЫ ФИЛЬТРАЦИОННЫХ ПОТОКОВ. Как уже говорилось, фильтрационный поток подземных вод – объём воды, движущийся в горных породах под действием силы тяжести и включающий в себя водовмещающие горные породы. Главными элементами фильтрационного потока являются линии тока и линии равного напора, которые взаимоперпендикулярны и образуют гидродинамическую сетку потока. Рассмотрим классификации фильтрационных потоков.
Классификация по положению в пространстве. Фильтрационные потоки изучаются на плоскости. Эта плоскость обязательно должна быть параллельна гидродинамической сетке потока. Возможны два вида таких плоскостей: вертикальная, совпадающая с направлением силы тяжести (такие фильтрационные потоки называются профильными), и горизонтальная, перпендикулярная направлению силы тяжести (такие фильтрационные потоки называются плановыми).
Классификация по геометрическому строению гидродинамической сетки. Как профильные, так и плановые фильтрационные потоки подразделяются с этой точки зрения на а) плоско-параллельные (линии тока и линии равного напора являются прямыми и, будучи взаимно перпендикулярными, образуют прямоугольную, решёткообразную сетку), б) радиальные сходящиеся (линии тока являются радиус-векторами, направленными в одну точку, а линии равного напора – концентрическими окружностями), в) радиальные расходящиеся (линии тока являются радиус-векторами, исходящими из одной точки, а линии равного напора – концентрическими окружностями), г) комбинированные (представляющие собой мозаику из участков плоско-параллельных, радиальных сходящихся и радиальных расходящихся фильтрационных потоков).
ПРАКТИЧЕСКИЕ ЗАДАЧИ ДИНАМИКИ ПОДЗЕМНЫХ ВОД. Главными задачами, решаемыми с помощью динамики подземных вод, являются: 1) определение коэффициентов фильтрации водоносных горных пород, 2) расчёт естественных ресурсов подземных вод с целью сооружения подземных водозаборов (питьевая гидрогеология), создания дренажных устройств (шахтная и строительная гидрогеология), регулирования уровня подземных вод (мелиоративная гидрогеология) и других целей.
Расчёт естественных ресурсов подземных вод является конечной задачей любых гидрогеологических исследований, но без предварительного определения коэффициента фильтрации водоносных пород он невозможен.
*** Определение коэффициента фильтрации при откачке из скважины с установившимся режимом (постоянство расхода воды из скважины и величины понижения уровня воды в скважине). Задача была решена французским гидравликом Шарлем Дюпюи и имеет следующий вид:
Q R
K = 0,366 ---------- · lg -----,
m· S r скв
где K – коэффициент фильтрации водоносных горных пород, м/сутки,
Q – расход воды, откачиваемой из скважины, м3/сутки,
m – мощность межпластового водоносного горизонта, м,
S – понижение уровня воды в скважине, вызванное откачкой, м,
R – радиус влияния откачки (радиус воронки депрессии), м,
r скв – радиус скважины, м.
Например, если радиус влияния – 100 м, а радиус скважины – 0,1 м, то их отношение равно 1000, а lg (десятичный логарифм) 1000 составляет 3. В этом случае
К ≈ Q/(m ∙ S) или K· m ≈ Q/S.
Напомним, что произведение коэффицикнта фильтрации на мощность называется водопроводимостью T (T = K· m), а отношение расхода скважины к понижению называется удельным дебитом скважины и обозначается q уд (q уд = Q/S).
*** Определение единичного расхода межпластового водоносного горизонта с постоянной мощностью. Единичным расходом q ед называется расход плоско-параллельного фильтрационного потока шириной 1 м. Для межпластового горизонта с постоянной мощностью единичный расход между двумя скважинами №1 и №2,
H1 – H2
расположенными по направлению фильтрации потока, q ед = K· m· -----------,
L
где K - коэффициент фильтрации, м/сутки, m – мощность водоносного горизонта, м, Н1 – напор (абсолютная отметка) в скважине №1, м, Н2 – напор (абсолютная отметка) в скважине №2, м, L – расстояние между скважинами, м.
*** Определение единичного расхода горизонта грунтовых вод с горизонтальным залеганием водоупора. Для грунтовых вод с горизонтальным залеганием водоупора расчёт единичного расхода возможен без дорогостоящего определения абсолютных отметок уровней воды в скважинах. Используется следующая формула:
(h1 + h2) (h1 – h2) (h12 – h22)
qед = К· ------------- · ------------ или qед = К· ----------------,
L 2L
где К – коэффициент фильтрации, м/сутки,
h1 – мощность горизонта грунтовых вод в скважине №1, м,
h2 – мощность горизонта грунтовых вод в скважине №2, м,
L -расстояние между скважинами по направлению фильтрации, м.
Дата добавления: 2015-08-05; просмотров: 88 | Нарушение авторских прав
| <== предыдущая страница | | | следующая страница ==> |
| C А Н И Т А Р Н О Е С О С Т О Я Н И Е В О Д Ы | | | IV. ХАРАКТЕРНЫЕ ТИПЫ ПОДЗЕМНЫХ ВОД |