книги из ГПНТБ / Климентов П.П. Динамика подземных вод учеб. для геологоразведоч. техникумов

Динамика подземных вод — научная отрасль (раздел) гидрогеологии, занимающаяся изучением закономерностей движе­ ния подземных вод в горных породах земной коры под влиянием естественных и искусственных факторов и разрабатывающая мето­ ды количественной оценки и управления этим движением в нужном для человека направлении.

Конкретные виды и формы движения подземных вод в горных породах, условия их питания, формирования, режима и разгрузки предопределяются в основном природными геологическими (состав горных пород, условия их залегания, тектоника, геологическая структура), геоморфологическими (тип и формы рельефа земной поверхности), климатическими (температура, осадки, испарение) и гидрологическими (гидрография рек, озер, морей) факторами. В соответствии с этим динамика подземных вод тесно связана со многими дисциплинами естественных наук: литологией, структурной геологией, четвертичной геологией, тектоникой, геохимией, геомор­ фологией, климатологией, метеорологией, гидрометрией и др. Вместе с тем динамика подземных вод имеет тесную связь и с дис­ циплинами физико-математического цикла (гидравликой, гидроме­ ханикой, физикой, математикой, математической физикой и др.), что служит основанием для изучения закономерностей и особенно­ стей движения подземных вод в конкретных гидрогеологических условиях и дает возможность провести количественную оценку это­ го движения.

Таким образом, по характеру решаемых задач и естественным основам динамика подземных вод является научной отраслью гид­ рогеологии, основывающейся на теоретических и методологических обобщениях теории фильтрации, что и обусловливает ее тесную связь с гидравликой и гидромеханикой.

Основным объектом изучения динамики подземных вод являет­ ся движение воды в насыщенных горных породах, т. е. процессы фильтрации подземных вод. Однако наряду с процессами фильтра­ ции рассматриваются также и другие виды движения воды (инфильтрационное, капиллярное, молекулярное и др.), и, кроме того, явления и факторы, оказывающие влияние на условия фильтрации подземных вод. Так, например, обоснованное решение задач по про­ гнозу и регулированию уровня грунтовых вод и развития процессов засоления почв на орошаемых территориях невозможно без изуче­ ния и количественного учета различных видов движения влаги и солей в зоне аэрации и процессов испарения; прогноз качества подземных вод при их эксплуатации и оценка условий захоронения

промышленных стоков невозможны без учета физико-химических явлений и процессов, протекающих при фильтрации подземных

вод, и т. п.

В динамике подземных вод широко используются как теорети­ ческие, так и экспериментальные методы исследований.

Теоретические методы исследования и оценки фильтрации под­ земных вод основаны на использовании различных уравнений (главным образом, дифференциальных) математики и математичес­ кой физики, решения которых получают для определенным образом схематизированных природных условий. При этом применяются как приближенные гидравлические решения (основанные на исполь­ зовании уравнения А. Дарси), так и более строгие гидромеханичес­ кие решения (основанные на использовании сложных дифферен­ циальных уравнений Лапласа, Фурье, Буссинеска).

К экспериментальным методам относятся натурные исследова­ ния и лабораторные методы гидрогеологического моделирования.

Натурные исследования заключаются в проведении наблюдений за развитием процессов фильтрации и их количественной оценки в естественных условиях или при искусственном воздействии различ­ ных инженерных сооружений (стационарные и режимные наблюде­ ния, опытно-фильтрационные работы, пробная эксплуатация и т. д.). Существенно подчеркнуть, что натурные исследования обес­ печивают наиболее достоверное решение гидрогеологических задач, особенно в сложных природных условиях.

В последнее время успешно развивается гидрогеологическое моделирование — искусственное воспроизведение на различных мо­ делях процессов фильтрации подземных вод и связанных с ними явлений с целью обеспечения решения гидрогеологических задач. Моделирование широко используется при решении самых разнооб­ разных задач как в практическом, так и в теоретическом плане. При этом моделирование используется не только для количествен­ ной оценки условий фильтрации в сложной природной обстановке, но и для более глубокого изучения общих региональных закономер­ ностей формирования, распространения и движения подземных вод, а также научного обоснования методов и объемов проектируемых гидрогеологических исследований.

В практике гидрогеологических исследований наиболее широкое применение получило математическое и физическое моделирование, причем наряду с использованием различных аналоговых вычисли­ тельных машин (АВМ — электрических, гидравлических и др.) все более возрастающее значение приобретают электронные вычисли­ тельные машины (ЭВМ), а также комплексное использование АВМ и ЭВМ.

Значение динамики подземных вод в решении практических на­ роднохозяйственных задач чрезвычайно велико. По существу, ни одной гидрогеологической задачи не решается в настоящее время без тщательного научного гидродинамического обоснования и коли­ чественной оценки условий движения подземных вод. Поиски, раз­ ведка и оценка эксплуатационных запасов подземных пресных, про­

мышленных, термальных и минеральных вод для целей питьевого и промышленного водоснабжения, для нужд химической промышлен­ ности, теплоэнергетики и курортно-санаторного дела; гидрогеологи­ ческое обоснование условий разведки и разработки различных ме­ сторождений полезных ископаемых; изучение, оценка и прогноз гидрогеологических условий при гидротехническом, гражданском и промышленном строительстве; осушение избыточно увлажненных территорий и орошение земель; искусственное захоронение быто­ вых и промышленных стоков; создание подземных искусственных хранилищ для нефти и газа; вопросы рационального использования, охраны и восполнения ресурсов природных вод — вот далеко непол­ ный перечень задач и вопросов, при решении которых динамика подземных вод играет весьма существенную роль.

Значение динамики подземных вод велико и при решении теоре­ тических проблем гидрогеологии, например, в развитии учения о режиме и балансе подземных вод, происхождении и формировании подземных вод в толщах горных пород, условиях миграции различ­ ных элементов в земной коре, образовании и разрушении место­ рождений полезных ископаемых, восстановлении палеогидрогеологических условий развития водонапорных систем земной коры и оп­ ределении возраста подземных вод.

КРАТКАЯ ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ УЧЕНИЯ о ЗАКОНОМЕРНОСТЯХ ДВИЖЕНИЯ ПОДЗЕМНЫХ вод

Учение о движении подземных вод зародилось в XVIII в. и связано с именами таких выдающихся ученых, как М. В. Ломоно­ сов, Д. Бернулли и Л. Эйлер.

М. В. Ломоносов еще в 1750 г. в своей классической работе «О слоях земных» [78] отметил, что подземные воды, представляю­ щие собой природные растворы, тесно связаны с вмещающими их горными породами и находятся в состоянии непрерывного круго­ оборота.

Д. Бернулли и Л. Эйлер, выполнявшие свои исследования в Пе­ тербургской академии наук, способствовали развитию отечествен­ ной гидравлики и гидродинамики. Многолетние теоретические ис­ следования Д. Бернулли обобщены в его работе «Гидродинамика или записка о силах и движении жидкостей» (1783), в которой впервые было дано уравнение напора, известное как уравнение Бернулли.

Л. Эйлер впервые составил дифференциальные уравнения дви­ жения жидкости, широко известные в гидродинамике как уравнения Эйлера.

За рубежом первые работы по динамике подземных вод выпол­ нены французскими учеными А. Дарси и Ж. Дюпюи.

В 1856 г., изучая фильтрацию воды через заполненную песком трубку, А. Дарси впервые установил основной закон фильтрации, который получил затем название линейного закона Дарси.

Ж. Дюпюи применил закон Дарси к определению расходов есте­ ственных потоков подземных вод и водопритока к скважинам. По­ лученные им формулы широко известны и успешно применяются до настоящего времени.

Теоретические основы учения о движении подземных вод зало­ жены главным образом трудами отечественных ученых: Н. Е. Ж у­ ковским, А. А. Краснопольским, Н. Н. Павловским, Л. С. Лейбензоном, Г. Н. Каменским, П. Я- Полубариновой-Кочиной и другими исследователями.

В своей обобщающей работе «Теоретическое исследование дви­ жения подпочвенных вод» (1899) Н. Е. Жуковский впервые ввел понятие о силе сопротивления при фильтрации грунтовых вод и, ос­ новываясь на уравнениях Эйлера и законе Дарси, вывел дифферен­ циальные уравнения движения подземных вод, создав тем самым

воды в трещиноватых породах, характеризующее турбулентное дви­

жение [72].

Советский период развития динамики подземных вод связан с фундаментальными исследованиями H. Н. Павловского, выполнен­ ными в связи с решением задач гидротехнического строительства

[84—86].

В 1922 г. H. Н. Павловским была создана строгая гидромехани­ ческая теория движения подземных вод под гидротехническими со­ оружениями. Впервые в мировой науке предложено использовать число Рейнольдса как критерий существования линейного закона фильтрации, разработана теория неравномерного движения подзем­ ных вод и методы оценки условий фильтрации с помощью аналого­ вого моделирования. Таким образом, H. Н. Павловский по существу заложил основы современных методов решения фильтрационных за­ дач: гидравлического, гидромеханического и аналогового модели­ рования (в частности, метода электрогидродинамических анало­ гий — ЭГДА).

Значительные теоретические и экспериментальные исследова­ ния в 30-х годах были выполнены Л. С. Лейбензоном, что послужи­ ло основой для дальнейшего развития нефтяной подземной гидрав­ лики [76].

Развитие динамики подземных вод, как отрасли гидрогеологии, связано с работами Г. Н. Каменского, выполненными в 30-х годах ів связи с решением задач оценки подпора грунтовых вод при гид­ ротехническом строительстве. Большое значение имели исследова­ ния Г. Н. Каменского по изучению условий движения подземных вод в неоднородных по составу пластах и применению метода конеч­ ных разностей [55]. Им впервые составлен учебник «Основы дина­ мики подземных вод» [56]. Всем работам Г. Н. Каменского свой­ ственна тесная органическая связь теоретических исследований и положений с конкретными геолого-гидрогеологическими условиями, что, несомненно, способствовало дальнейшему успешному разви­ тию динамики подземных вод, как научной и практической отрасли гидрогеологии.

Основы методики гидромеханического решения задач безнапор­ ной фильтрации в 30-х годах были разработаны H. Н. Павловским [85, 86], В. В. Ведерниковым (1939), В. С. Козловым (1940), П. Я. Полубариновой-Кочиной [90].

Обстоятельные исследования природы фильтрации влаги в по­ родах зоны аэрации, основанные на многолетних эксперименталь­ ных данных, были выполнены к этому времени А. Ф. Лебеде­ вым [74].

Дальнейшее развитие динамики подземных вод связано с раз­ витием идей H. Е. Жуковского, H. Н. Павловского, Л. С. Лейбензона и других, нашедшее отражение в трудах Е. А. Замарина, С. А. Христиановича, В. И. Аравина, Г. Н. Каменского, П. Я. Полу-

бариновой-Кочшюй, Н. К- Гиринского, Ф. Б. Нельсон-Скорнякова, С. Н. Нумерова, С. К. Абрамова, М. Е. Альтовского, В. Н. Щелкачева, Б. Б. Лапука, А. И. Силина-Бекчурина, H. Н. Веригина,

В.М. Шестакова и многих других исследователей.

Впредвоенный период продолжалось развитие теоретических основ динамики подземных вод в основном применительно к зада­ чам гидротехнического строительства (В. И. Аравин [11], Н. К. Гиринский [40], П. Я- Полубаринова-Кочина [90] и др.) ; большое зна­ чение имело также предложение Г. Н. Каменского об использовании для расчетов нестационарной фильтрации метода конечных разно­

стей [55]. Развиваются методы моделирования на моделях ЭГДА [47] и гидравлическом интеграторе (В. С. Лукьянов).

Послевоенный период в развитии динамики подземных вод ха­ рактеризуется комплексным применением теоретических и экспери­ ментальных методов исследования движения подземных вод и бо­ лее широким привлечением математики и математической физики. В это время Н. К. Гиринский [41] и А. Н. Митяев [81] опубликовали основы теории взаимодействия водоносных горизонтов; П. Я. Полу­ баринова-Кочина [90] и А. И. Силин-Бекчурин [94] закладывают основы динамики подземных вод переменной плотности воды; В. И. Аравин и С. Н. Нумеров [11—13], а затем P. Р. Чугаев [1056], H. Н. Веригин [33], В. П. Недрига [83], Ф. М. Бочевер [27] и другие развивают современную теорию установившейся фильтрации в рай­ онах гидротехнических сооружений; С. Ф. Аверьянов [7], H. Н. Биндеман [22], H. Н. Веригин [5, 33], И. А. Скабалланович [95], П. Я- По­ лубаринова-Кочина [90] разработали основы современной теории неустановившейся в плане фильтрации применительно к прогнозам фильтрации воды в районе каналов и водохранилищ; С. К. Абрамов [1—4], С. Ф. Аверьянов [7], H. Н. Веригин [32], С. Н. Нумеров,

B.М. Шестаков [106] и другие развивают и совершенствуют методи­ ку фильтрационных расчетов для целей водопонижения и дренажа;

C.К. Абрамовым, В. Д. Бабушкиным, H. Н. Веригиным, Н. К. Гиринским, И. А. Скабаллановичей и другими [2, 16, 17, 23, 34, 96] установлена теория откачек и методика выполнения опытно-фильт­ рационных полевых работ; дальнейшее развитие получает теория упругого режима, разработанная впервые В. Н. Щелкачевым [109]; развиваются и совершенствуются методы оценки эксплуатационных запасов подземных вод (Н. А. Плотников, Ф. М. Бочевер, H. Н. Биндеман, Н. И. Плотников и др. [24, 28, 30, 88 и др.]).

Кособенностям современного периода развития динамики под­ земных вод относятся: комплексное применение методов гидрогео­

логических расчетов практически во всех областях гидрогеологии; разработка и дальнейшее совершенствование новых методов гид­ рогеологических расчетов по количественной оценке и прогнозу ус­ ловий и закономерностей движения подземных вод при решении самых разнообразных задач и особенно в связи с инженерной и хозяйственной деятельностью человека; широкое привлечение и ис­ пользование в динамике подземных вод передовых достижений нефтяной подземной гидравлики и других смежных наук, а также