7.5 Взаємозв'язок підземних та руслових вод

Ґрунтові води тісно зв’язані з водами річок, озер, водосховищ, мо-рів, а також штучно створених каналів. Виділяють три типи взаємодії ґрунтових вод із поверхневими (рис. 7.7):

1) Наявність постійного гідравлічного зв’язку поділяють на два підтипи:

- наявність одностороннього гідравлічного зв’язку – низьке поло-ження водотривкої породи і рівня ґрунтових вод протягом року; річка за таких умов постійно живить ґрунтові води;

- наявність двостороннього гідравлічного зв’язку – більш високе положення водотривкої породи; річка живить ґрунтові води лише в пері-од водопілля, а в межень, навпаки річка живиться ґрунтовими водами.

2) Наявність тимчасового гідравлічного зв’язку – ще більш високе положення водотривкої породи; річка живить ґрунтові води в період водопілля, а в межень – ґрунтові води живлять річку і на схилах русла в цей період виникають мочажини, джерела або ключі.

3) Відсутність гідравлічного зв’язку – при дуже високому положенні водотривкої породи як у період водопілля, так і в межень гідравлічного зв’язку між ґрунтовими і поверхневими водами немає.

Рисунок 7.7 - Схема взаємодії річкових і ґрунтових вод: А – постійний односторонній гідравлічний зв’язок, б – постійний двосторонній гід-равлічний зв’язок, в – тимчасовий гідравлічний зв’язок г – відсутність гідравлічно-го зв’язку; 1 – водотривкі породи, 2 – рівень ґрунтових вод, 3 – напрямок руху ґрунтових вод, 4 – рівень води в річці в період водопілля, 5 – рівень води в річці в межень, 6 –джерела.

7.6 Рух підземних вод. Закон фільтрації Дapci.

Динамікою підземних вод називають розділ гідрогеології, що вивчає закони руху підземних вод.

Виділяють два типа руху підземних вод – ламінарне і турбулентне. Ламінарний рух – це такий рух, коли цівки води у водонасичених породах рухаються без завихрення, паралельно один одному з невеликими швидкостями, утворюючи суцільний потік. У своїй практичній діяльності ми найчастіше маємо справу з ламінарним рухом підземних вод.

Турбулентний рух – це рух підземних вод з великими швидкостями, з завихренням, з перемішуванням окремих струменів і навіть з розривом суцільності потоку. Турбулентний рух виникає у широких тріщинах гірських порід або в місцях інтенсивного відкачування тріщинуватих підземних вод. Зустрічаються рідко.

Ламінарний рух підземних вод підкоряється лінійному закону фільтрації, закону Дарсі.

, (7.7)

де Q - втрата потоку (кількість води, що фільтрується за одиницю часу м³ /добу);

k_ф - коефіцієнт фільтрації;

I - напірний градієнт або різниця рівнів у двох розгляданих перетинах, під впливом якого вода від перетину 1 рухається в напрямі перетину 2;

F- площа поперечного перетину потоку, м²_.

Рисунок 7.8 – Схема грунтового потоку при горизонтальному водоупорі

Якщо поділити обидві частини на площу поперечного перетину потоку, то

(7.8)

Ліва частина рівності визначає собою швидкість фільтрації V (м/добу):

v = k_Ф I, (7.9)

якщо I = 1, то v = k_ф

Коефіцієнт фільтрації чисельно дорівнює швидкості фільтрації при напірному градієнті рівному одиниці.

Турбулентний рух підземних вод не підкоряється закону Дарсі. Швидкість турбулентного руху підземних вод підкоряється нелінійному закону і називається Шезі- Краснопольського.

v = k_в , (7.10)

де k_в - коефіцієнт водопровідності, що має таке ж значення, що і k_ф у формулі Дарсі.

Дебіт плоского ґрунтового потоку. В основі визначення витрати Q підземного потоку лежить закон Дарсі. Але вживання цього закону залежить від геологічних і гідрогеологічних умов.

Визначення витрати потоку ґрунтових вод представляє досить складний розрахунок. Розглянемо принцип цього розрахунку для випадків горизонтального та похилого залягання водотривких шарів.

Потужність ґрунтового потоку є змінною, але водоупор горизонтальний (рис. 7.9). Тоді за основним законом фільтрації:

Q =k_ф ∙I∙F = k_ф I_сер.∙B∙h_сер. (7.11)

I_сер.= то витрати грунтового потоку можна визначити за формулою:

Q = (7.12)

Ця формула називається формулою Дюпюї.

Потужність потоку змінна, але водоупор нахилений (рис. 7.9). При похилому положенні водоупору розрахунок проводиться з врахуванням додаткової горизонтальної плоскості ОО. Для вибраних перетинів 1 і 2 визначають гідравлічний градієнт (I) і середню потужність потоку (h_сер.)

I_сер.= (7.13) h_сер.= (7.14)

Формула витрати потоку матиме наступний вигляд:

(7.15)

Рисунок 7.9 – Схема грунтового потоку при похиленому водоупорі

Якщо розділити витрату потоку Q на ширину потоку В, отримаємо одиничну витрату q= Q/В.

У природі часто буває, що в одному місці водоупор нахилений, в іншому горизонтальний. Немає іншого виходу, щоб розбити водоносний горизонт на ділянки і рахувати Q потоку для кожної ділянки окремо, а потім підсумовувати.

Приплив підземних вод до водозабірних споруд. При відкачуванні підземних вод, безпосередньо зі свердловини, унаслідок тертя води об частки ґрунту відбувається воронкоподібне пониження рівня, утворюється депресивна воронка, яка в плані має форму, близьку до кола. У вертикальному розрізі депресивна воронка обмежується депресивними кривими (рис.7.10).

Радіус відкачування (R) і є радіус депресивної воронки. Визначається радіус відкачування з одиночних свердловин за спеціальними формулми Кусакіна і Троянського.

Визначення радіусу впливу R у безнапірному водоносному пласті при сталій фільтрації визначається за допомогою формули Кусакіна

R =2S (7.16)

де S - пониження рівня при відкачуванні по центру воронки;

H- потужність грунтової води;

k_ф - коефіцієнт фільтрації.

Визначення радіус впливу R для напірних водоносних пластів визначається за допомогою формули Зіхардта

R =10S (7.17)

Рисунок 7.10 - Радіус впливу:

1 — рівень ґрунтової води; 2 — депресивна воронка; S - пониження рівня в центрі воронки; R - радіус воронки

Розмір депресивної воронки, а також крутість кривих депресій залежить від гранулометричного складу і розміру пір порід.

Розрізняють 2 типи водозабірних споруд: досконалі та недосконалі. У досконалій споруді дно доведене до водо упору, і вода поступає лише з боку стінок. У недосконалій споруді дно не доведене до водо упору, і вода поступає не лише з боку стінок, але і з боку дна. Розрахункові формули припливу води до цих споруд будуть різні.

Рисунок 7.11 - Типи водозабірних споруд: 1 - доконана, 2 - недоконана