Практичне заняття 5. Підземні води. Основні закони руху підземних вод.
Зміст: Гідрогеологічні та гідрохімічні карти. Форма поверхні ґрунтових вод. Карти гідроізоп’єз, гідроізогіпс. Визначення характеристик ґрунтового потоку, його напрямку. Характеристики артезіанського водоносного горизонту, що визначаються на картах гідроізоп’єз. Закони Дарсі, Шезі, Краснопольського. Коефіцієнт фільтрації і методи його визначення. Визначення напряму і швидкості руху підземних вод (рух підземних вод до водозабірних споруд, поняття про взаємодію водозборів).
За результатами практичного заняття студент повинен знати:
- призначення гідрогеологічних карт, їх властивості;
- методи визначення коефіцієнту фільтрації;
- характеристики ґрунтового потоку та артезіанського водоносного горизонту;
- особливості будови артезіанського водоносного горизонту;
- порядок визначення напряму і швидкості руху підземних вод.
Повинен вміти визначати:
- характеристики ґрунтового потоку по картам ізогіпс;
- характеристики напорного водоносного горизонту, особливості його будови.
- визначати напрямок і швидкість руху підземних вод.
Завдання
1 Опрацювати теоретичний матеріал за темою заняття і надати відповіді на контрольні запитання.
2 Ознайомитися з різними видами гідрогеологічних карт, їх властивостями.
3 Визначити напрямок ґрунтового потоку методом «трикутника» (за варіантом).
4
Теоретичні відомості.
В результаті гідрогеологічної зйомки та режимних стаціонарних спостережень складаються гідрогеологічні карти різних видів, на яких показують поширення водоносних горизонтів четвертинних або корінних відкладень, водотривкі породи, мінералізацію підземних вод, динамічні запаси і водопроникність порід.1. карти гідроізогіпс.
Карти гідроізогіпс - це карта поверхні ґрунтових вод. При наявності значної кількості свердловин і одночасних замірів рівнів води в них можна побудувати на топографічній основі карту гідроізогіпс (рисунок 5.1), яка відображає положення дзеркала ґрунтових вод в ізолініях на певний період часу (t).
Рисунок 5.1 - Карта гідроізогіпс:1 - річки, 2-горизонталі, 3 - гідроізогіпси, 4 - свердловини, 5 - колодязь, 6 - цифри у водопунктів: зліва - номер по каталогу, праворуч у чисельнику - глибина до води від поверхні землі, в знаменнику - абсолютна позначка поверхні землі.
Шляхом інструментальної прив’язки на топографічну карту наносять свердловини, біля яких вказують абсолютні позначки рівнів води. На карті бажано мати горизонталі поверхні водотриву - ізогіпси, якщо свердловини пробурені до водотриву.
За методом «трикутника» або шляхом з’єднання всіх свердловин зі свердловиною, яка має найменшу абсолютну відмітку рівня, ведеться побудова гідроізогіпс. Всі карти гідроізогіпс повинні бути датовані, і для одного і того ж району їх може бути кілька (за сезонами року). Гідроізогіпси проводяться методом інтерполяції через 1-2 м або 5 м, в залежності від призначення карти. Згущення гідроізогіпс може бути викликано зменшенням або потужності водоносного пласта, або його фільтраційних властивостей. Іноді складаються карти, що відповідають максимальному і мінімальному положенню поверхні ґрунтових вод в районі дослідження. Карти гідроізогіпс, що складаються по сезонах, дають добре уявлення про динаміку підземних вод. Поверхню ґрунтових вод в кілька згладженому вигляді повторює рельєф земної поверхні і тільки в окремих випадках можливі відхилення від цієї закономірності (річкові долини та яруги). Форма поверхні ґрунтових вод залежить від геологічної будови ділянки (умов залягання порід, їх складу та потужності), умов живлення та дренування, а також характеру їх зв'язку з поверхневими водами. Масштаб карт залежить від загального характеру проведених досліджень і коливається від 1: 10 000 до 1: 200 000.
На рисунку 5.2 наведена схема зв’язку грунтовых вод з річковими.
Рисунок 5.2 – Взаємозв’язок ґрунтових і поверхневих вод:
а - річка дренує горизонт ґрунтових вод; б - річка живить ґрунтові води; в - річка живить ґрунтові води на лівому березі і дренує їх на правому; 1 - гідроізогіпси, 2 - рівень ґрунтових вод, 3 - водопрониклі породи, 4 - напрямок руху ґрунтових вод
Визначення напрямку потоку ґрунтових вод. По карті гідроізогіпс визначають напрямок течії ґрунтових вод. Цей напрямок завжди буде перпендикулярно до гідроізогіпс, оскільки ґрунтові води можуть пересуватися тільки від більш високих позначок до більш низьких; оскільки вони з’єднують однакові позначки, по лінії гідроізогіпс руху не відбувалося. Лінії, по яких пересуваються підземні води при русі, що встановився і не змінюється в часі, називаються лініями струму. Найпростішим способом визначення напрямку потоку ґрунтових вод є так званий спосіб трикутника. Знаючи глибину рівня води в трьох свердловинах, розташованих по кутах трикутника, і абсолютні або відносні позначки поверхні, можна визначити і позначки рівнів води в кожній з цих точок.
Гідрохімічні карти, їх властивості. Гідрохімічні карти показують зміну мінералізації, хімічних типів підземних вод, агресивності та інших елементів по площі.
При складанні цих карт ставляться завдання:
1) оцінка якості підземних вод для питного і господарського водопостачання;
2) оцінка можливого негативного впливу підземних вод на інженерні споруди;
3) виявлення закономірностей формування підземних вод і гідрохімічної зональності;
4) вивчення їх впливу на розвиток карсту, зсувів і ін.
Ці карти дозволяють встановити закономірність зміни хімічного складу і загальної мінералізації підземних вод в горизонтальному і вертикальному напрямках. Карти зазвичай супроводжуються гідрохімічними профілями, які дозволяють виявити зміни хімічного складу підземних вод в певних напрямках. Масштаб гідрохімічних карт повинен збігатися з масштабом геолого-літологічний, гідрогеологічної та геоморфологічної карт досліджуваного району.
На гідрохімічних картах і профілях:
1) виділяють кольором або штрихуванням зони з певною мінералізацією і зони певного хімічного складу;
2) проводять межі між зонами з тим чи іншим вмістом іонів хлору або сульфатних, що характеризують хлоридну або сульфатну агресивність вод;
3) встановлюють зони різного змісту агресивної вуглекислоти.
Порядок роботи
Визначити (за варіантом, наданим викладачем) по карті гідроізогіпс:
1) напрямок руху ґрунтових вод (як загальний, так і на окремих ділянках).
Напрямок руху ґрунтових вод виражається перпендикуляром, проведеним між сусідніми гідроізогіпсами в сторону гідроізогіпс з меншою позначкою.
2) величину ухилу поверхні ґрунтових вод (гідравлічного) і зміни в ухилі на різних ділянках.
Гідравлічний ухил потоку визначається за формулою (5.1), як різниця позначок між гідроізогіпсами, поділена на відстань між ними в масштабі.
,
(5.1)
де Н1 і Н2 - абсолютні позначки поверхні ґрунтових вод в першій і другій точках;
l - відстань між цими точками.
3) глибину залягання ґрунтових вод в будь-якій точці (різниця між позначками поверхні землі і рівня води);
4) потужність водоносного горизонту при наявності ізогіпс водотривкого ложа (різниця між позначками рівня води і водотривкої поверхні);
5) зв’язок з поверхневими водами.
Про гідравлічний зв’язок між поверхневим водоймищем і ґрунтовими водами судять по положенню гідроізогіпс біля водойми. Якщо гідроізогіпси перетинають водойму без викривлень, зв’язок між водоймою і ґрунтовими водами відсутній, якщо ж гідроізогіпси у водойми згинаються вниз за течією, то ґрунтові води живляться водами водойми і т. д. (рисунок 5.2).
6) область живлення (ділянки замкнутих гідроізогіпс з високими позначками) і розвантаження, тобто область виходу ґрунтових вод на поверхню.
7) Витрату плоского ґрунтового потоку шириною В за формулою:
Q = k ∙ I ∙ B ∙ h (5.2)
де h - середня потужність грунтового потоку, який береться з розрізу.
8) швидкість руху потоку визначається за формулою (5.1), якщо відомий коефіцієнт фільтрації:
Vк = k∙I (5.3)
9) Місце положення дренажної канави: перпендикулярно ґрунтовому потоку.
10) Визначити напрямок потоку ґрунтових вод способом трикутника (за варіантом, наданим викладачем).
Приклад розрахунку:
Припустимо, що в точці А позначка поверхні води дорівнює 36 м, в точці Б - 40 м і в точці В - 34 м (рисунок 5.3).
Рисунок 5.3 - Визначення напрямку ґрунтового потоку методом «трикутника»
Розділивши сторони трикутника на пропорційні відрізки, визначимо позначки рівнів в декількох точках на кожній стороні трикутника і проведемо гідроізогіпс, з’єднавши точки з однаковими позначками. Як показано на рисунку 5.3, потік ґрунтових вод рухається по напрямку БГ, тобто перпендикулярно гідроізогіпс. Ухил потоку ґрунтових вод буде дорівнює різниці позначок у точках Б і Г, поділеній на відстань між ними. Відстань можна дізнатися за кресленням, якщо відомий його масштаб. В даному випадку, якщо відстань БГ прийняти рівною 80 м, ухил I буде дорівнювати за формулою 5.1:
Очевидно, що чим менше відстань між гідроізогіпсами, тим більше ухил ґрунтового потоку, і навпаки.
11) Визначити важливі характеристики напірного водоносного горизонту. Виявити особливості його будови.
По карті ізоп’єз можна визначити ряд важливих показників водоносного пласта і охарактеризувати особливості його будови, зокрема:
1) напрямок руху артезіанського потоку і характер зміни п’єзометричної поверхні, а також причини, що обумовлюють ці зміни;
2) величину напору;
3) глибину залягання напірних вод;
4) п’єзометричного ухилу;
5) область живлення і розвантаження;
6) ділянки можливого самовиливу (де абсолютні позначки земної поверхні нижче позначок п'єзометричного рівня і при бурінні свердловин вода буде виливатися на поверхню);
7) наявність гідравлічного зв'язку з ґрунтовими та річковими водами.
Зазвичай карти поверхні землі в горизонталях, п’єзоізогіпс і ізогіпс водотривкої покрівлі водоносного горизонту суміщують (рисунок 5.4), що дає можливість легко вирішувати ряд практичних завдань:
- визначати глибину залягання артезіанського водоносного горизонту в кожному пункті;
- величину напору;
- гідравлічний ухил;
- напрямок руху напірних вод тощо.
Рисунок 5.4- Схема карти п’єзоізогіпс
1 - горизонталі поверхні землі; 2 - п’єзоізогіпси; 3 - горизонталі покрівлі водоносного горизонту; 4 - напрямок руху напірних вод
Фільтрація залежить від нахилу дзеркала ґрунтових вод, гідравлічного (напірного) градієнта, а також від водопроникних властивостей гірських порід.
Розрізняють два види руху ґрунтових вод: ламінарний та турбулентний. Ламінарний рух – це рух у вигляді окремих струменів ґрунтових вод через відносно малі пори та незначні за розмірами тріщини. Турбулентний рух характерний для грубоуламкових (галечники), а також сильно тріщинуватих і закарстованих гірських порід, в яких значні за розмірами порожнини дозволяють проходженню значної кількості води за відносно короткий час з великою швидкість.
Швидкість руху води (V), за лінійним законом А. Дарсі пропорційна коефіцієнту проникності (К) та гідравлічному градієнту (І) і визначається за формулою:
V =K∙I, (5.4)
де I =ΔH/l (5.5)
(ΔH– різниця висот; l – пройдена відстань).
Контрольні запитання
1 На які типи розділяються підземні води?
2 Чим відрізняються ґрунтові, напірні та артезіанські води?
3 Що таке ґрунтовий потік та як його визначають?
4 Що таке карта гідроізогіпс? Як визначити глибину рівня ґрунтових вод в даній точці по карті гідроізогіпс?
5 Як визначити потужність водоносного горизонту?
6 На скільки можна довіряти даним про глибину та потужність водоносного горизонту, що отримують за картами гідроізогіпс?
7 Як визначити напрямок фільтрації води за картою гідроізогіпс?
8 Що таке водоносний горизонт?
9 Які ґрунти можуть бути водотривами?
10 Від чого залежить дебіт ґрунтових вод?
11 Яка залежність встановлена законом Дарсі? Чому закон Дарсі називають «лінійним законом фільтрації»?
12 Чому закон Дарсі називають «основним законом фільтрації»?
13 Який вигляд має закон Дарсі у швидкісній формі?
14 Що характеризує коефіцієнт фільтрації (коефіцієнт пропорційності в законі Дарсі)? Що таке «градієнт напору» та яка його розмірність?
15 Який режим руху рідини відповідає закону Дарсі?
Рекомендована література [1] с. 152-181, [2] с. 72-74; 124-127.