Расчёт коэфицента фильтрации для грунтового совершенного колодца

Своершенным называется колодец полностью прошедший водоносные породы и остановленный в подстилающем их водоупоре.

Q – расход колодца, R – радиус депрессионной воронки, сформировавшейся при откачке, r – радиус колодца или скважины, H - мощность водоносных пород. S – уровень понижения грунтовых вод.

Лекция № 5 Типы подземных вод по Саморенскому

Типы вод	Характер напора	Характер движения потока	Геологические условия залегания	Геохимические зоны	Химическая характеристика
Почвенные, болотные, верховодка(временно сущ. водоносный горизонт)	Нисходящие, безнапорные	Ламинарный	Поверхностные образования\отложения	Зоны выщелачивания, местами-засоления	Пресные, местами солоноватые
Грунтовая	Нисходящие, безнапорные, могут обладать местным напором	Ламинарный	Поверхностные отложения и верхние слои коры выветривания	Зоны выщелачивания, местами-засоления	Пресные, местами солоноватые(в крупных городах могут быть загрязнены – т.е. высокоминерализованы)
Карстовые	Обычно нисходящие, безнапорные	Преимущественно турбулентный(особенно в паводок0	Растворимые горные породы	Зона выщелачивания	Пресные, как правило жёсткие
Артезианские воды	Восходящие, напорные	Ламинарный в рыхлых породах и турбулентный в трещиноватых	Структуры осадочных пород или осадочные бассейны	Зона выщелачивания и цементации	Пресные, иногда минерализованные
Жильные (трещинные)	Восходящие напорные воды	Турбулентный	Преимущественно зоны тектонических нарушений	Зона цементации	Пресные и минерализованные

Грунтовые воды – это подземные воды, первого от поверхности, постоянно существующего водоносного горизонта, расположенного на первом водоупорном слое. Поверхность грунтовых вод называется зеркалом или скатертью.

Относительно однородные по литологическим особенностям и водным свойствам пласты горных пород содержащие грунтовые воды, называются водоносным горизонтом или водоносным пластом. Водонепроницаемая порода, подстилающая водоносный пласт, называется водоупором или водоупорным ложем. Мощность водоносного горизонта, определяется расстоянием от уровня грунтовых вод до кровли подстилающего водоупорного пласта.

Грунтовые воды часто имеют слабо волнистую поверхность, с уклоном в сторону оврага или речной долины. Движущиеся в сторону понижения грунтовые воды, образуют грунтовый поток. Участки с горизонтальной поверхностью грунтовых вод, называются бассейнами грунтовых вод. Являются нисходящими, поэтому образуют источники грунтового типа. Грунтовый поток, плавно понижающийся к месту разгрузки(место выхода грунтовых вод на поверхность в виде источника или их разгрузки в какие то водотоки) образует криволинейную поверхность, называемой депрессионной поверхностью. Связь между грунтовыми и поверхностными водами может быть различной.

В районах с влажным и умеренным климатом грунтовые воды, как правило питают речные воды

В районах с засушливым климатом, нередко грунтовые воды питаются за счёт поверхностных

Карст - процесс растворения и механического разрушения растворимых в данной обстановке горных пород подземными и русловыми водами. Необходимы 4 условия:

1)Наличие в данной обстановке растворимых горных пород. Гипсы, ангидриты, известняки, доломиты, мрамор, соляные породы

2)Водопроницаемость этих пород. Т.е. наличие трещиноватости, пористости и т.д.

3) Наличие движущейся воды

4)Способность этой воды растворять. Воды должна быть не насыщена растворяемыми солями.

Артезианские воды – подземные воды, находящиеся в водоносных горизонтах или комплексах, перекрытых и подстилаемых водоупорными или относительно водоупорными пластами. Эти воды обладают напором, которые обуславливают подъём уровня вод над кровлей, при вскрытии скважинами или другими выработками. По условиям залегания выделяются артезианские бассейны, артезианские склоны, субартезианские бассейны и напорные воды в зонах крупных тектонических разломов.

Артезианский бассейн – это совокупность артезианских водоносных горизонтов или комплексов, залегающих в тектонических синклинальных структурах.

Синклинальные структуры – это структуры, понижения.

В каждом артезианском бассейне выделяют три области.

Питание происходит из нижележаих или вышележащих водоносных горизонтов. Грунтовые воды могут питаться артезианскими водами и артезианские могут питаться грунтовыми.

Очаги разгрузки делятся на естественные(в реки) и искусственные(искуственные Водозаборные сооружения)

Область распространения напора – это основная часть развития артезианского бассейна, для которой характерен пьезометрический напор.

Артезианский склон – это асвоеобразный симметричный бассейн напорных подземных вод, встречаемый обычно в моноклинально залегающих водоносных горизонтах и выклинивающийся по мере погружения. Также возникновение артезианских склонов может быть связано с изменением литологических особенностей водоносных пород.

Субартезианские воды – к ним относят подземные воды не обладающие постонянным напором

Лекция. Расчет расхода потока. Водозаборные сооружения. Режим подземных вод

1. Расчет расхода потока.

2. Водозаборные сооружения.

3. Режим подземных вод.

Единичный расход – это расход потока шириной, равной единице (1 м и т.п.). Для грунтовых вод, исходя из Q=K*F*I, можно записать Q=K*B*h_ср*I, где B – ширина потока, м и h_ср – средняя высота (мощность) потока, м. Если B=1, то можно записать единичный расход: q= K*h_ср*I, или q= м³/сут. – для грунтовых вод, для напорных вод формула следующая: , м³/сут. Эти формулы применимы для плоских потоков, в которых линии токов ориентированы параллельно друг другу. Перпендикулярно им расположены линии равных напоров (гидроизогипсы для грунтовых вод и гидроизопьезы для артезианских). Совокупность линий равных напоров и токов составляет гидродинамическую сетку – сетку движения подземных вод.

Радиальный поток характеризуется линиями токов, расходящихся или сходящихся по радиусам. Линии равных напоров образуют концентры. Подобные случаи возникают при нагнетании вод в скважину или при откачках. В практике используется построение кривой депрессии, позволяющей определить отметки поверхности потока в любой его точке между двумя скважинами или любыми произвольными сечениями.

Под водозаборными сооружениями понимаются инженерные сооружения по забору подземных вод или воды из реки и водохранилища в водопроводные, оросительные, гидроэнергетические и другие системы. Водозаборы подземных вод устраивают в виде одиночных скважин или колодцев, системы скважин или колодцев, подземных водосборных галерей, сооружаемых для каптажа родников. Колодцы по способу их проходки делятся на копанные, забивные, буровые. По характеру напора они могут быть грунтовые или артезианские. По глубине заложения: совершенные (прошли водоносный пласт до нижнего водоупора) и несовершенные (вскрыли водоносный пласт не полностью). Поступление воды в несовершенный колодец осуществляется через дно и стенки (или только через дно), в совершенный колодец вода поступает только через стенки.

Наиболее ответственной частью забивных и буровых колодцев является фильтр. Каркасы для фильтров могут быть деревянными, керамическими, стеклянными, металлическими, последние употребляются наиболее часто. Размер фильтра определяется конечным диаметром скважин. В практике в качестве фильтра обычно используется металлическая трубка с отверстиями круглого (размером 1-2 см) или прямоугольного (размером 0,8-1,5 см) сечения. Количество отверстий на 1 пог. м. трубы 800-500 штук в зависимости от ее диаметра. Чтобы в скважину не попал песок, перфорируемую трубу покрывают фильтровальной сеткой. Размеры сетки подбираются так, чтобы через нее просеивался грунт водоносного горизонта в сухом состоянии в количестве до 40% от общего его объема. При таком выносе из водоносного горизонта вокруг фильтра образуется хорошо проницаемый грунт, не создающий больших сопротивлений при движении воды к скважине.

Приток воды к совершенному грунтовому колодцу. В основе расчетных формул лежит закон Дарси. Дебит грунтового совершенного колодца при однородном грунте определяется по формуле Дюпюи:

, м³/сут., где

Н – мощность водоносного горизонта, м;

h – мощность слоя воды в скважине при откачке, м;

R – радиус влияния, м;

r – радиус скважины, м;

K – коэффициент фильтрации, м/сут.;

Q – дебит, м³/сут.

Расчет радиуса влияния скважины. Радиус влияния определяется по формуле Кусакина:

, м, где

47 и 6 – эмпирические коэффициенты;

K – коэффициент фильтрации, м/сут.;

H – мощность водоносного горизонта, м;

T – время с начала откачки, часы;

µ - коэффициент водоотдачи грунта.

Приток воды к артезианскому совершенному колодцу. Расчет ведется с использованием формулы Дюпюи:

, а так как H-h=S, то формулу можно записать в виде:

, м³/сут.

В напорных водоносных горизонтах депрессионная воронка может находиться выше кровли водоносного горизонта.

Зависимость дебита от понижения. Дебит артезианского совершенного колодца изменяется прямо пропорционально понижению уровня Q=qS, где Q – дебит артезианской скважины, м³/сут.; q – удельный дебит скважины (дебит при понижении на 1 м, м³/сут.); S – понижение уровня воды в скважине при откачке, м. При понижениях уровня воды в скважине, не превышающих 25% от величины напора, на графике зависимости дебита от понижения значения q расположатся на прямой линии. При больших понижениях увеличивается сопротивление движению воды в водоносном пласте. В этом случае дебит будет меняться не пропорционально понижению и зависимость будет более сложной.

Режим подземных вод. Под режимом подземных вод понимают непрерыв­ный процесс изменения во времени их ресурсов, физиче­ских свойств, химического и газового состава под влия­нием совокупности взаимодействующих и изменяющих­ся во времени естественных факторов.

К естественным (природные) факторам, определяю­щим режим подземных вод, относятся климатические, геологические, гидрогеологические, почвенные, биогенные и др.

Искусственные факторы оказывают влияние на ре­жим подземных вод на участках хозяйственной деятель­ности человека: массивах орошения и осушения земель, строительства водохранилищ и других водоемов. Влия­ют также эксплуатация подземных вод для целей во­доснабжения, борьба с подземными водами при эксплуа­тации месторождений полезных ископаемых, искусст­венное пополнение запасов подземных вод и многие дру­гие факторы.

Режим подземных вод, определяемый только природ­ными факторами, называют естественным (ненарушенный), а если на его формирование существенное влия­ние оказывают искусственные факторы — искусствен­ным (нарушенный).

Основные изменения, которым подвержены подземные воды, следующие.

1. Эпизодические, связанные с изменением кратковременных явлений природы: выпадением осадков, таянием снега, изменением температуры и т.д.

2. Суточные, связанные с изменением температуры и влажности воздуха в течение суток.

3. Сезонные, наиболее закономерные, обусловленные изменением температуры, количества осадков, величины испарения и т.д. по сезонам года.

4. Годовые, обусловленные количественными различиями в метеорологическом режиме в различные годы, например, сухие и влажные, теплые и холодные годы.

5. Многолетние, связанные со многими причинами. Одной из них является изменение солнечной активности. Активность на солнце не постоянна и подвержена периодическим колебаниям с периодами 11 лет, 22 года, 100 лет и др. Изменение активности солнца сказывается на многочисленных явлениях на Земле, например, установлено, что уровень колебаний грунтовых вод в Средней Азии имеет период колебаний 11 лет, этот факт связывают с деятельностью Солнца.

6. Геологические, связанные с изменением физико-географических условий на Земле, происходящие в течение геологического времени, с перемещением бассейна реки, изменением соотношений горных и равнинных областей, климатических условий и т.д.

Лекция. Основные принципы гидрогеологического районирования

1. Гидрогеологические структуры

2. Принципы гидрогеологического районирования территории

3. Краткая гидрогеологическая характеристика Пермского края

1. ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИЕ СТРУКТУРЫ – название геологических структур, с которыми связаны тип, характер распространения и накопления подземных вод, условия их залегания, режим, запасы, ресурсы и т.д. Вода в силу своей подвижности заполняет геологическое пространство по трещинам, пустотам, порам и не может самостоятельно образовывать пространственные структуры. Поэтому правильнее говорить не о гидрогеологических, а о тектонических или геологических структурах, с которыми связаны резервуары, горизонты, комплексы и зоны подземных вод. Структуры тектонические 1 порядка - материки, океаны и зоны переходные между ними. Структуры тектонические 2 порядка - платформы (например, Восточно-Европейская), области складчатые (Алтае-Саянская), области геосинклинальные (Курило-Восточнокамчатская), в пределах океанов -талассократоны, пояса срединно-океанические. Структуры тектонические 3 порядка - в складчатых областях - складчатые системы (Уральская), срединные массивы (Омолонский), межгорные впадины; на платформах - антеклизы, синеклизы, авлакогены и др. Гидрогеологические структуры, соответствующие синеклизам и антеклизам выделяются соответственно в качестве артезианских бассейнов и артезианских сводов. Гидрогеологические структуры складчатых областей выделяются в качестве гидрогеологических складчатых областей (например, Уральская) с гидрогеологическими массивами, адмассивами, адартезианскими бассейнами, адартезианскими сводами. Гидрогеологические массивы представлены трещинными водами пород преимущественно магматического происхождения. Адструктуры представлены водами трещинного типа преимущественно в метаморфических и метаморфизованных породах.

2. Региональная гидрогеология занимается изучением закономерностей условий формирования, залегания, распространения подземных вод, а также их качества, количества в различных регионах территории России.

Под гидрогеологическими районами понимают территории, характеризующиеся общностью гидрогеологических условий. Выделение таких районов и составляет сущность гидрогеологического районирования, которое проводится в разном масштабе, с учетом разных факторов и целей.

Гидрогеологическое районирование территории позволяет познавать региональные гидрогеологические закономерности. В основу районирования положены в основном геолого-структурные признаки (литолого-фациальные, геоморфологические, тектонические, физико-географические), которые и определяют условия накопления, распространения, залегания, состав и минерализацию подземных вод в том или ином регионе. Выделяют области распространения различных типов бассейнов подземных вод по условиям скоплений: пластовых вод (артезианских и субартезианских), трещинных вод, трещинных и карстовых вод, трещинных и пластовых вод в отрицательных морфоструктурах, трещинных и пластовых вод в положительных морфоструктурах, трещинных и пластовых вод в вулканогенных супербассейнах.

Первые четыре типа бассейнов могут быть субаквальными (находящимися или образовавшимися под водой) или субаэральными (находящимися или образовавшимися в воздушной среде).

Гидрогеологическое районирование может предусматривать как раздельное районирование артезианских и грунтовых вод (аналитическое), так и комплексное. Комплексное районирование, применяемое обычно при обзорном и мелкомасштабном описании районов, основано на геолого-структурном принципе. При таком подходе рассматривают все воды района. Это соответствует принципу единства природных вод, поэтому в данном разделе принято комплексное структурно-гидрогеологическое районирование, которое учитывает таксономическую схему водоносных горизонтов, комплексов и этажей в геологическом пространстве, их вертикальные и горизонтальные подразделения.

На территории бывшего СССР выделены 19 крупных гидрогеологических областей, связанных с платформенными и горно-складчатыми сооружениями (рис.). В пределах платформенных областей выделяют районы первого и второго порядков (бассейны), приуроченные к щитам древних платформ и складчатым системам, составляющим фундамент молодых платформ, к краевым структурам платформ, к внутриплатформенным структурам (синеклизам, прогибам, антеклизам, валам). В гидрогеологических горно-складчатых сооружениях различают: области распространения бассейнов трещинных вод орогенной зоны с интенсивно восходящими движениями, области распространения бассейнов трещинных и трещинно-пластовых вод орогенной зоны, характеризующейся слабыми восходящими движениями, области распространения бассейнов трещинно-пластовых вод альпийского и тихоокеанского поясов с различной направленностью и интенсивностью движений. В гидрогеологических горно-складчатых областях также выделяют районы первого и второго порядков (бассейны), связанные с горными массивами, межгорными впадинами и склонами.

Рис. Схема гидрогеологического районирования: 1—границы и индексы гидрогеологических областей, 2—граница между современными океаническими и континентальными бассейнами подземных вод, 3—границы распространения многолетнемерзлых пород, 4—предполагаемые границы преимущественно сплошного распространения многолетнемерзлых пород. Гидрогеологические области платформ: I—Восточно-Европейсхая (Русская), III—Тураяская, VIII—Западно-Сибирская, X Восточно-Сибирская. Океанические платформы: XVII—Нансена; XVIII—Восточная (Гиперборейская). Гидрогеологические складчатые области: II—Карпатская и Крымско-Кавказская; IV—Копетдагско-Болыпе-балданская, V—Тяньшаньско-Джургаро-Памирская, ТУ - Центральноказахстансхая, VII— Тимано-Уральская, IX—Саяно-Алтайско-Енисейская, XI—Восточно-Сибирская, XII—Зейско-Буреинская, XIII—Сихоте-Алннская, XIV—Верохоянско-Чукотская, XV—Корякско-Камчатско-Курильская, XVI—Сахалинская. XIX—Таймырская

3. Территория Пермского края входит в Восточно-Европейскую гидрогеологическую область (Восточно-Русский артезианский бассейн) и Тимано-Уральскую гидрогеологическую складчатую область (Уральская область трещинных, трещинно-карстовых и трещинно-жильных вод).

Восточно-Русский артезианский бассейн расположен в Волго-Уральской антеклизе, Предуральском и Пачелмском прогибах и на восточном склоне Воронежской антеклизы. Фундамент в бассейне залегает в основном на глубине 1—5 км и только в Предуралье - на глубине 10км. В Восточно-Русском артезианском бассейне выделяются бассейны второго порядка: Волго-Камский, Сурско-Хоперский и Предуральский. В них широко развиты водоносные комплексы пермских, каменноугольных, девонских, вендских и верхнепротерозойских отложений. Пермские образования включают галогенные толщи. Все отложения содержат соленые воды и рассолы (до 300 г/л). Менее распространены верхнепермские, мезозойские и кайнозойские отложения, но в них содержатся пресные водоносные горизонты, широко используемые для водоснабжения. Бассейн богат промышленными рассолами (йод, бром и др.), минеральными лечебными водами типа «Ижевск».

Уральская область трещинных, трещинно-карстовых и трещинно-жильных вод характеризуется распространением грунтовых вод в трещинноватой зоне выветривания скальных пород. Воды грунтовые пресные и ультрапресные, дающие источники в понижениях рельефа. В этой области выделяются структуры второго порядка: бассейны трещинно-карстовых и трещинных вод Западно-Уральской зоны складчатости (в породах верхнего и среднего палеозоя); бассейны трещинно-жильных и трещинных вод Тагильско-Магнитогорского прогиба, Восточно-Уральского поднятия и Восточно-Уральского прогиба (в породах среднего и нижнего палеозоя); бассейны трещинных вод Централъноуралъского поднятия (в породах нижнего палеозоя и протерозоя).

В Западно-Уральской зоне складчатости преобладают карбонатные закарстованные породы, карст проявляется до глубины 300—400 м, а в Кизеловском районе до 1000 м. Трещинно-карстовые воды, питаемые атмосферными осадками и водами рек, разгружаются в долинах рек и шахтах в виде источников с дебитом до 25 л/с. Среднегодовые притоки воды в шахты Кизеловского угольного бассейна достигают 150—550 м³/ч. В зонах тектонических разломов резко возрастают водопритоки в шахты (1000—2000 м³/ч). В зонах антиклиналей, выходящих на поверхность, карстовые процессы менее интенсивно развиты и доходят до глубины 200—300 м, дебиты источников не превышают 30 л/с. Метаморфические и осадочно-вулканогенные породы нижнего палеозоя, кембрия и протерозоя, выходящие в ядрах антиклинальных поднятий, содержат трещинные воды в зоне выветривания, мощность которой достигает 30—60 м. Воды во всех породах пресные, гидрокарбонатные кальциевые и только в зонах тектонических разломов в девонских отложениях выходят солоноватые и соленые воды с сероводородом.