3.2. Законы движения подземных вод

Все изменения в состоянии подземных вод – tº, уровня залегания, водообильности, химического состава, минерализации и пр., называют режимом подземных вод. Изучение режима подземных вод – мониторинг.

Температура – может подвергаться значительным колебаниям, причем, чем ближе уровень подземных вод к поверхности земли, тем сильнее колебания. На воды, залегающие близко к поверхности оказывают влияние суточные и сезонные колебания, а на глубоко залегающие влияют только сезонные.

Уровень грунтовых вод. Колебания уровня напрямую зависит от климатических и сезонных особенностей. При таянии снегов происходит разлив рек (паводок), идет пополнение ресурсов подземных вод и соответственно – повышение их уровня. В конце лета наблюдается падение уровня (межень). Здесь отметим, чем ближе водоносный горизонт к области питания, где происходит инфильтрация, тем быстрее происходит изменение уровня. Если год засушливый – уровень стоит низко, и наоборот.

Изменение уровня может вызвать деятельность человека. Устройство водозаборов, осушение котлованов, горных выработок для добычи полезных ископаемых, закачивание воды в горные породы – все это меняет уровень. Чем сильнее воздействие (отбор, закачка) – тем значительнее изменения.

Химический состав – очень сильных изменений не наблюдается, однако, значительные атмосферные осадки, полив – вызывают снижение минерализации (опреснение) ПВ, деятельность человека (разного рода строительство, коммуникации) ведут к загрязнению подземных вод.

Пример: 50 лет назад в Татарии была пробурена первая нефтяная скважина (нефть для получения топлива не годна – слишком много парафина). Для выкачивания нефти необходимо нагнетать в нефтеносные пласты рассолы, которые вытесняют нефть. Рассолы – 350 г/л. Давление нагнетания 200–250 атмосфер. Общий метраж трубопроводов под землей – не одна тысяча км. В случае аварии образуются огромные соляные озера, которые постепенно фильтруются в водоносные горизонты.

Изучение режима (ведение мониторинга) – необходимость. Ведутся наблюдения за tº, УГВ, химическим составом, загрязнением воды в зависимости от условий и от поставленных задач – ежедневно, неделями, месяцами, годами. Наблюдения проводятся в эксплуатационных скважинах, наблюдательных, источниках (родниках), при необходимости бурят дополнительные скважины.

Движение подземных вод происходит постоянно при малейшем уклоне. Гидрогеологами доказано, что при скорости водного потока в горных породах менее 500 м/сут, движение воды носит ламинарный характер. Поскольку скорости более 500 м/сут очень редки и могут встречаться в закарстованных или сильнотрещиноватых породах, то за основной вид движения подземных вод примем ламинарное.

При полном насыщении горных пород движения воды в них происходит под влиянием разности напоров.

Движение воды в песчаных и большей частью трещиноватых горных породах подчиняется линейному закону фильтрации, известному как закон Дарси (французский ученый). Закон, гласит: количество воды (Q), просачивающейся через породу в единицу времени, пропорционально падению напора (разность в верхнем и нижнем уровнях), площади поперечного сечения породы (F) и обратно пропорционально длине пути фильтрации (l), измеренной по направлению движения воды (рис.19):

Q=K_ф·∆Н·F/l (м³/сут; л/с) (14)

К_ф – коэффициент пропорциональности, зависящий от физических свойств породы и жидкости (коэффициент фильтрации), м/сут.

Преобразуем формулу – разделим обе части уровнями на площадь сечения (F).

Q/F=K_ф·∆Н/l (15)

Обозначим Q/F через V,

V=К_ф·∆Н/l (16)

Рис. 19 Фильтрация грунтового потока.

1 – поверхность земли, 2 – водовмещающая порода (песок), 3 – направление грунтового потока, 4 – водоупор, I иII– ось скважин № 1 и № 2 соответственно,Н₁ иН₂ - величины напоров,∆Н – падение напора, l – расстояние между скважинами.

Очевидно, что V – расход фильтрующейся воды, отнесенный к единице площади фильтрующегося потока (Q/F), следовательно, V имеет размерность скорости. Величина V носит название скорости фильтрации. Отношение разности уровней подземных вод в двух точках, т.е. напора, к расстоянию между этими точками – называется напорным (гидравлическим) градиентом грунтового потока и обозначается через I, т.е.

I=∆Н/l, (17)

Таким образом,

V=К_ф·I, (18)

т.е. скорость фильтрации пропорциональна первой степени напорного градиента. Из последней формулы получаем:

К_ф=V/I, (19)

примем I=1, получим К_ф=V, т.е. величина коэффициента фильтрации равна скорости фильтрации при напорном градиенте равном единице. Размерность – обычно м/сутки. Но скорость фильтрации не истинная скорость в породе, она характеризует скорость как бы в пустой трубе. Но у нас реальные условия в породе. В действительности площадь занята микрочастицами или трещинами. Но мы знаем такую величину пористости, как коэффициент пористости. Значит, чтобы получить значение коэффициент фильтрации, т.е. с учетом реальной площади сечения, надо значение этой скорости умножить на коэффициент пористости. Действительную скорость подземного потока определяют просто: две скважины, расстояние между ними известно, в одну бросают красящий индикатор – замеряют в другой.

По водопроницаемости все породы, довольно условно можно разделить:

Хорошо водопроницаемые К_ф>10 м/сут (карст, галечники К_ф>200, гравий К_ф>50, кр/з пески К_ф>25 м/сут).

Водопроницаемые (пески, трещиноватые породы) К_ф>1 м/сутки.

Слабо водопроницаемые (суглинки, супеси, слабо трещиноватые породы) К_ф>0,001 м/сутки.

Непроницаемые, практически водоупорные (глины, монолитные породы) К_ф<0,001 м/сутки.

Водопроницаемость определяют в лабораторных и в полевых условиях.

Но в природных условиях водоносный горизонт обычно далеко не однороден по составу, пористости и трещиноватости, поэтому лабораторные данные очень часто недостаточны. Поэтому водопроницаемость или К_ф определяют опытным путем, опытными откачками.

Можем определить зависимость, насколько понизится уровень грунтовых вод между дренами, какое количество воды будет в них поступать, на каком расстоянии друг от друга они должны располагаться, чтобы понизить уровень на определенную величину. Такой расход, поступление (водоприток) воды через стенки дрены (канавы) или котлована измеряют в л/сек или м³/сутки.

Каналами можно осушать или добывать воду только из верхних горизонтов. А если глубже? Для этого бурят скважины (или выкапывают колодцы) и из них начинают качать воду (для добычи или для осушения горных пород – разрезов). В результате откачки вода движется к скважине в виде радиального сходящегося потока, из-за трения воды о частицы грунта происходит воронкообразное понижение уровня (депрессионная воронка), в плане форма круга. В вертикальной плоскости воронка ограничивается кривыми депрессии (рис. 20).

Рис. 20 Депрессионная воронка

1 – точка откачки, 2–6 – наблюдательные скважины, УГВ – уровень грунтовых вод до откачки, S– понижение уровня воды в 1 скважине,R– радиус воронки (влияния).

Чем больше величина К_ф, тем большей мощности насосы мы должны установить, чтобы обеспечить необходимое понижение уровня.

Расстояние от центра скважины до края депрессионной воронки, образовавшейся в результате откачки – радиус влияния скважины (R).

Радиус депрессионной воронки (R влияния) и крутизна кривых депрессии зависят от водопроницаемости пород, у хорошо водопроницаемых пород – широкие воронки, большой радиус влияния, у слабоводопроницаемых пород (суглинки, супеси) – узкие воронки и малые величины радиуса влияния.

Установление границ депрессионной воронки необходимо:

– для определения k_ф водовмещающих пород,

– выделения зон санитарной охраны,

– определения осушаемых площадей,

– определения расстояния между соседними водозаборами.

Откачки различают: одиночные (из одной скважины) и кустовые (центральная скважина и две, три или более наблюдательных).

Производительность скважины – дебит (максимальное количество воды в единицу времени при постоянстве уровня (Q, м³/сут).

Направление потока определяется:

– по карте гидроизогипс – перпендикуляр к 2-м смежным гидроизогипсам, – от более высоких отметок уровня к более низким;

– методом трех скважин;

– методом красителей.

Величина R определяется: бурением скважин, по аналогии с действующими водозаборами, по формулам (Кусакина и Зихарда).

Водозаборы – сооружения, с помощью которых происходит захват (забор) подземных вод.

Типы водозаборов:

Вертикальные – буровые скважины, колодцы.

Горизонтальные – галереи, канавы, траншеи.

Лучевые – колодцы с водоприемными лучами-фильтрами.

Одиночные – состоят из одной скважины.

Групповые – из нескольких скважин.

Совершенные – вскрывающие водоносный горизонт на полную мощность (до водоупора).

Несовершенные – до водоупора не доходит.

Строительный – снижение уровня только на период строительства (временно).

Дренаж – снижение уровня на весь период эксплуатации объекта.

Поглощающий колодец для сброса воды в грунтовый горизонт. При поглощении воды колодцем вокруг него возникает воронка поглощения, по форме аналогичная депрессионной, но обращенная выпуклостью вниз.

Взаимодействие водозаборов:

Для водоснабжения расстояние между водозаборами (скважинами), обеспечивающее каждому постоянный дебит должно быть больше двух депрессионных радиусов (>2R).

Для понижения уровня грунтовых вод (на строительной площадке) расстояния между точками водопонижения (скважинами, канавами) не может превышать 2R, т.е. депрессионные воронки должны пересекаться.

Водопонижение на строительных площадках.

1. Самотек грунтовых вод – зависит от рельефа местности (откосные дренажные системы, подземные галереи).

2. Принудительная откачка: насосами, иглофильтровыми установками (тонкие металлические трубы 7–9 м, с фильтром на конце). ЛИУ – понижение 4,5 м (один ярус) в песках при к_ф – 1–50 м/сут; эжекторными иглофильтрами (вакуумное понижение) – пески, супеси с к_ф – 0,01–1,0 м/сут.

3. Отвод подземных вод по горизонтали – дренажная траншея (открытые и закрытые), по вертикали – скважины или колодцы.

4.Системы дренажей:

Линейная схема (головная – перехват воды выше объекта, береговая – вдоль берега водоема);

Систематическая (многолинейная – при малой мощности водоносного слоя) длительное осушение большой площади;

Кольцевая – отдельное здание с глубоким фундаментом;

Пластовая – в основании сооружения на водоносный грунт, гидравлически связана с трубчатой дреной (с наружной стороны фундамента ~ 0,7 метра).

Пристенная состоит из дренажных труб на водоупорном грунте с наружной стороны сооружения. Применяется в том случае, если основанием служит водоупорный грунт.

Охрана подземных вод

Истощение запасов подземных вод – сработка в процессе отбора вод без восполнения (прогрессирующее понижение динамических уровней эксплуатируемого водоносного горизонта).

Загрязнение подземных вод – изменение качества (общей М, органолептических свойств, превышение допустимых компонентов).

Типы загрязнения подземных вод.

– естественное (минерализованные подземные или морские воды);

– химическое (органическое и неорганическое);

– бактериальное;

– радиоактивное;

–механическое (песок, шлак из сточных вод);

–тепловое (смешивание с нагретыми техническими сточными водами).

Меры борьбы с загрязнением

Очистка сточных вод;

Создание безотходных производств;

Перехват профильтровавшихся стоков дренажем;

Экранирование чаш бассейнов;

Расположение водозаборов выше по потоку источников загрязнения;

Устройство зон санитарной охраны

Зоны санитарной охраны.

Зоны санитарной охраны – территории с особым режимом, исключающим загрязнение подземных вод.

Зоны санитарной охраны организуются в составе трёх поясов:

Первый пояс (строгого режима) – окружность радиусом 50 м, центр которой находится в точке расположения источника водоснабжения.

Второй пояс – зона бактериологического загрязнения.

Третий пояс – зона химического загрязнения.

Размер второго и третьего пояса определяется гидродинамическим расчётным путём.

Подземные воды – как источник водоснабжения. Поиск и разведка месторождения подземных вод. Бурение скважины, определяют все параметры, производят моделирование, взаимосвязь с другими горизонтами подземных вод, сколько скважин необходимо, с какой производительностью, определяют зоны санитарной охраны (обычно их две), где нет коммуникаций и источников загрязнения, определяют химический состав воды, возможную степень загрязнения и др. Здесь руководствуются требованиями СанПиН.