Занятие 1.
Построение изолиний поверхности зеркала грунтовых вод.
Вводные положения.
Водоносные горизонты - трехмерные тела, пространственно совпадающие с толщей проницаемой горной породы или ее частью.
Грунтовыми называются воды первого от поверхности земли постоянно существующего водоносного горизонта, залегающего на пространственно-выдержанном водонепроницаемом слое.
Зеркалом грунтовых вод называется их поверхность.
Поверхность грунтового водоносного горизонта, как правило, повторяет поверхность рельефа местности, но не в точности. В районе болот поверхности рельефа и грунтовых вод полностью совпадают. На возвышенных участках, в горах грунтовые воды могут залегать на глубине в сотни метров. Визуально наблюдать поверхность грунтовых вод можно по береговым линиям рек и водоемов, если они имеют гидравлическую связь с подземным потоком, в пещерах, а также в местах выходов родников, в колодцах и скважинах. Имея сеть точек, в которых измерена глубина залегания грунтовых вод, можно составить представление о форме зеркала грунтовых вод на данном участке местности. По этим сведениям можно нарисовать карту изолиний глубины залегания или превышения зеркала над уровнем мирового океана.
На рисунке 1 показан фрагмент земной коры с первым от поверхности водоносным горизонтом, колодцем и уровнем мирового океана. Положение какой-либо точки или геологической границы относительно поверхности мирового океана называется абсолютной отметкой. Абсолютные отметки поверхности земли - "Х" - отображаются изолиниями на физико-географических картах. При бурении скважин или рытье колодцев устанавливаются абсолютные отметки поверхности грунтовых вод - "Н", а также кровли подстилающего водоупорного слоя (подошвы грунтового водоносного горизонта) - "Z". Буквой "h" на рисунке обозначено кратчайшее расстояние от подошвы до кровли водоносного горизонта, или его мощность, буквой "g" - глубина от поверхности земли до воды в скважине.
На учебной карте кроме изолиний рельефа и реперных (тригонометрических) пунктов, обозначенных треугольниками, кружками нанесены скважины, вскрывшие грунтовую воду. Около каждой скважины нанесены глубины до воды в метрах.
2. Определение абсолютных отметок поверхности зеркала грунтовых вод. Первым шагом на пути создания карты зеркала грунтовых вод является определение абсолютных отметок его поверхности в каждой точке наблюдения. Практически необходимо возле каждой скважины, обозначенной на карте кружком, выписать значение абсолютной отметки зеркала грунтовых вод (Н).
H=X-g
Величину Х находят интерполяцией значений между ближайшими изолиниями рельефа местности или по отметке ближайшего репера. По условию задачи величина Z является постоянной для данного участка, то есть подстилающий водоупорный слой залегает горизонтально (параллельно поверхности океана). В случае, когда Z положительна, уровень океана находится ниже поверхности водоупора (рис.2,а), в случае, когда Z отрицательно - наоборот (рис.2,б).
3. Выбор значений изолиний. Следующим шагом построения карты является выбор значений абсолютных отметок, по которым будут проведены изолинии. Для этого находят на карте максимальное и минимальное значение абсолютной отметки зеркала грунтовых вод и в зависимости от заданного "шага" изолиний выбирают их конкретные значения. Например, Нmin = 121,6 м, Нmax = 146,2 м, шаг изолиний - 5 метров. Для данного диапазона значений удобно выбрать следующий набор изолиний: 120м, 125м, 130м, 135м и 140м.
Рис.1
Рис.2
4. Построение изолиний. Наиболее простая технология построения изолиний - по методу треугольников. Три соседних точки наблюдения (скважины) мысленно соединяются прямыми линиями. Каждый из получившихся отрезков разбивается на части в соответствии с набором значений изолиний и их шагом (рис. 3). Далее точки с одинаковыми значениями абсолютных отметок соединяются плавными линиями. Не рекомендуется при этом пересекать изолинии рельефа под прямым углом. Все изолинии поверхности зеркала грунтовых вод (гидроизогипсы) должны быть надписаны.
5. Изображение основных направлений движения грунтовых вод. На построенной карте гидроизогипс короткими стрелками, перпендикулярными изолиниям, отмечаются основные направления движения подземных вод. При этом необходимо руководствоваться правилом, что подземный поток направлен от мест с наибольшими значениями абсолютных отметок уровней воды к местам с наименьшими их значениями (рис.4).
6. Выбор расчетного блока. Затем по ходу подземного потока, в месте сгущения изолиний выбираются две точки - начальная и конечная, определяющие местоположение и длину расчетного блока (рис.4).
7. Расчет скорости движения воды. Скорость движения воды на участке А-В определяется по формуле Дарси:
k - коэффициент фильтрации, м/сут,
Ha - абсолютная отметка уровня грунтовых вод в точке А (гидростатический напор в т. А),
Hb - абсолютная отметка уровня грунтовых вод в точке В (гидростатический напор в т. В),
L - расстояние между точками А и В в метрах.
П
одземный
поток фильтруется не через все сечение
горной породы, а только через пустоты
(пространство между ее зернами). Величина
пустотности - n -
определяется отношением объема пустот
к общему объему породы. Таким образом,
истинная скорость движения воды на
участке А-В будет превышать рассчитанную
по формуле Дарси во столько же раз, во
сколько объем пустот меньше объема
породы. Следовательно, истинную скорость
движения потока грунтовых вод можно
определить по формуле:
8. Расчет единичного расхода. Единичный расход потока на участке А-В представляет собой тот объем воды в струе шириной один метр, который проходит через поперечное сечение элемента горной породы в единицу времени. Расход подземной воды измеряется в метрах кубических в сутки и определяется по формуле:
q = v hср
hср - среднее значение мощности фильтрационного потока на участке А-В. Это значение вычисляется как полусумма мощностей потока в точках А и В. Мощность потока в точке А (или В) равна разности между абсолютной отметкой уровня грунтовых вод в этой точке - H - и абсолютной отметкой положения подстилающего водоупора - Z (рис2).
Рис.3
Рис.4