- •Е. А. Михайлов, н. А. Мухин,
- •150023. Ярославль, Московский пр., 88.
- •150000. Ярославль, ул. Советская, 14а.
- •Введение
- •1. Химические и физические свойства природных вод
- •1.1 Основные физические свойства воды, снега и льда
- •1.1.1 Плотность и удельный объем
- •1.1.2 Удельная теплота парообразования воды и плавления снега и льда
- •1.1.3 Теплоемкость и теплопроводность
- •1.1.4 Молекулярная вязкость. Поверхностное натяжение
- •1.2. Химические свойства воды
- •1.3. Характеристика природных вод
- •1.4 Классификации состава природных вод
- •2. Гидрология рек
- •2.1 Гидрографическая сеть. Речные системы. Главные реки и их притоки.
- •2.2 Исток и устье реки. Основные виды устьев. Устьевые области
- •2.3 Скорости течения воды и распределение их по живому сечению
- •2.4 Средняя скорость в живом сечении. Формула Шези
- •2.5 Поперечные циркуляции
- •2.6 Вихревые движения
- •2.7 Основные закономерности структуры гидрографической сети. Густота речной сети.
- •2.8 Склоновая эрозия
- •2.9 Речной бассейн. Поверхностный и подземный водосборы. Водоразделы. Деление и смешение вод.
- •2.10 Морфометрические характеристики речного бассейна
- •2.11 Речные долины. Элементы долины и поймы.
- •2.12 Характерные речные образования
- •3. Гидрология озер
- •3.1 Происхождение, типы и морфология озерных котловин
- •3.2 Формирование озерного ложа под влиянием волнения и отложения наносов
- •3.3 Зарастание озер
- •3.4 Географическое положение озера. Морфометрические характеристики
- •3.5 Уровневый режим озер
- •3.6 Динамические явления в озерах
- •3.7 Сейши
- •3.8 Изменение температуры воды в озерах в течение года
- •3.9 Ледовые явления
- •3.10 Формирование химического режима
- •3.11 Биологические процессы
- •3.12 Озерные отложения
- •4. Гидрология водохранилищ
- •4.1 Основные особенности гидрологического режима водохранилищ
- •4.2 Режим уровней
- •4.3 Условия водообмена
- •4.4 Формирование берегов
- •4.5 Ледовый режим
- •5. Гидрология ледников.
- •5.1 Фирн. Ледниковый лед, его свойства.
- •5.2 Движение ледников
- •5.3 Таяние ледников
- •5.4 Особенности режима рек с ледниковым питанием
- •6. Гидрология болот
- •6.1 Образование болот и их типы
- •6.2 Болотная гидрографическая сеть
- •6.3 Гидрологический режим болот
- •6.4 Движение воды в торфяном грунте и на болотных массивах
- •6.5 Колебания уровня грунтовых вод на болотных массивах
- •6.6 Сток с болот
- •6.7 Испарение с болотных массивов
- •7. Гидрология подземных вод
- •7.1 Теории и гипотезы происхождения подземных вод
- •7.2 Классификация подземных вод по условиям их происхождения
- •7.3 Виды воды в порах горных пород и почв
- •7.4 Виды воды в порах
- •7.5 Условия залегания подземных вод в земной коре
- •7.6 Вода в почве
- •7.7 Грунтовые и межпластовые безнапорные воды
- •7.8 Напорные воды
- •7.9 Движение подземных вод
- •7.10 Подземные источники
- •7.11 Режим грунтовых вод. Зависимость колебаний уровня от климата
- •7.12 Взаимосвязь речных и подземных вод
- •7.13 Минеральные воды
- •8. Гидрология океанов и морей
- •8.1 Формы морского шельфа
- •8.2 Формы движение морских вод
- •9. Практические задания к главе 1
- •10. Практические задания к главе 2
- •11. Практические задания к главе 3
- •12. Практические задания к главе 4
- •13. Практические задания к главе 5
- •14. Практические задания к главе 6
- •15. Практические задания к главе 7
- •16. Практические задания к главе 8
- •Заключение
- •Список использованных источников
7.8 Напорные воды
Напорные воды (рис. 32, артезианские подземные воды) - воды, насыщающие водопроницаемый слой, заключенный между водоупорными породами, и обладающие гидростатическим напором.
Напорные воды обычно приурочены к геологическим структурам осадочных пород при соответствующем напластовании водопроницаемых и водоупорных слоев или к сложной системе тектонических трещин и сбросов.
Геологическая структура (впадина, мульда, синклиналь, моноклиналь и т. п.), содержащая один или несколько водоносных горизонтов и обеспечивающая напор в них, называется артезианским бассейном.
В артезианском бассейне обычно выделяют:
- область питания,
- область напора,
- в некоторых случаях область стока (разгрузки) напорных вод.
Площади, занимаемые артезианскими бассейнами, колеблются в очень широких пределах.
При вскрытии кровли напорного водоносного горизонта буровой скважиной вода под гидростатическим давлением поднимается выше кровли водоносного пласта и иногда достигает поверхности земли или даже фонтанирует (Рис. 33).
В напорном водоносном горизонте, таким образом, выделяют геометрический уровень, совпадающий с нижней поверхностью водоупорной кровли водоносного слоя, и гидростатический, или пьезометрический уровень, совпадающий с уровнем подъема воды в скважинах.
Напор в каждой точке водоносной породы измеряется высотой, на которую поднимается вода в скважине над нижней поверхностью водоупорной кровли при вскрытии водоносного пласта. По мере погружения пласта напор обыкновенно увеличивается.
Рис. 33. Схема строения артезианского бассейна.
1 - водонепроницаемые породы; 2 - напорный водоносный слой; 3,4 - скважины; 5 - направление потока; ВС - пьезометрический уровень, BNC — нижняя поверхность водоупорной кровли, Н1, Н2: — высота напора.
7.9 Движение подземных вод
1. Просачивание воды в почву
Впитывание, или инфильтрация, — процесс проникновения влаги в почву. Передвижение ее от слоя к слою в условиях различной степени насыщения водой нижерасположенных горизонтов почво-грунтов относится к процессу просачивания. Процесс этот сложный и состоит из нескольких стадий.
Чаще выделяют две стадии: впитывания и фильтрации. Вода атмосферных осадков, попадая на сухую почву, в начальный момент подвергается действию сорбционных и капиллярных сил и интенсивно поглощается поверхностью почвенных частиц.
Постепенно поры малого сечения заполняются и движение воды в стадии впитывания осуществляется в виде пленочного и капиллярного перемещения. При полном насыщении всех пор движение воды в стадии фильтрации происходит под преобладающим действием силы тяжести и характеризуется законом ламинарного движения.
В почво-грунтах всегда имеются крупные пустоты, трещины, ходы корневой системы растений, по которым вода с поверхности почвы в форме капельно-струйчатого (турбулентного) движения может проникать на ту или иную глубину.
Этот процесс называют инфлюацией. Соотношение между всеми формами движения меняется в широких пределах в зависимости от влажности почво-грунтов, их механического состава, культурной обработки, наличия воздушных пробок и т. п.
Количественные характеристиками впитывания, или инфильтрации:
- интенсивность впитывания - количество воды в миллиметрах слоя, поглощенной почвой в единицу времени (мм/мин).
- суммарная величина впитывания - слой воды, поглощенной почвой за некоторый промежуток времени, выражается в мм.
Интенсивность впитывания зависит не только от водных свойств почво-грунтов, но в значительной степени определяется и их влажностью. Если почва сухая, она обладает большой инфильтрационной способностью и в первый период времени после начала дождя интенсивность впитывания близка к интенсивности дождя.
С увеличением влажности почво-грунтов интенсивность инфильтрации постепенно уменьшается и при достижении полной влагоемкости в стадии фильтрации становится постоянной, равной коэффициенту фильтрации данного почвогрунта.
Впитывание воды происходит и в мерзлую почву во время снеготаяния, но такое состояние почвы существенно замедляет процесс инфильтрации и фильтрации. При этом интенсивность процесса зависит от начальной влажности перед замерзанием.
2. Передвижение воды в водоносных слоях со свободной поверхностью.
Формула Дарси
В природе существуют два вида движения воды:
1. Ламинарное свойственно движению воды в мелкозернистых породах. Скорости движения в них невелики и измеряются метрами или даже сантиметрами в сутки.
2. Турбулентное – в крупнообломочных и трещиноватых породах, где скорости движения воды значительно больше.
В обоих случаях движение воды в водоносных слоях со свободной поверхностью совершается под влиянием гидростатического напора от мест с более высоким уровнем к местам с более низким уровнем.
В естественных условиях вода передвигается по направлению к выходам источников, к открытым водоемам, если уровень в последних стоит ниже, чем уровень воды в водоносном пласте, и, наоборот, может уходить из водоемов в грунт при обратном соотношении уровней.
Движение воды в водоносном пласте может быть вызвано искусственно откачкой воды из колодца, искусственным дренажем.
Наиболее изучен закон движения воды в мелкозернистых породах — в песках с мелкими, преимущественно капиллярными порами (Рис. 34). Движение воды в случае фильтрации подчиняется закону Дарси, выражаемому формулой
где
Q - количество воды в м3/с, протекающей в единицу времени через данное поперечное сечение породы площадью F м2;
К - некоторая величина, называемая коэффициентом водопроводимости или коэффициентом фильтрации;
h - напор;
l - длина пути фильтрационного потока в метрах.
Рис. 35. Разрез участка подземного потока.
Величина напора определяется по разности уровней в двух сечениях потока, т. е. h = H1 - H2, где H1 и H2 — высота уровней в точках А и В. Под влиянием напора вода из сечения АА1 перемещается в направлении сечения BB1.
Отношение i есть падение напора на единицу длины пути фильтрации, т. е. напорный градиент, или гидравлический уклон, и обозначается
i =h/l.
Разделив обе части равенства на площадь F, получим
где
v =Q/F.
Величина v носит название скорости фильтрации.
Скорость фильтрации не является действительной скоростью движения воды в порах породы, она представляет фиктивную (приведенную) скорость движения воды.
Площадь поперечного сечения потока F в формуле принята равной площади поперечного сечения породы, тогда как в действительности вода передвигается в породе только по порам и площадь сечения потока равна общей площади пор.
Чтобы получить действительную скорость движения вод в порах грунта и, надо расход воды Q разделить на площадь, занятую порами, т. е.
где
р — коэффициент пористости.
Действительная скорость движения воды больше скорости фильтрации (u>v), так как коэффициент пористости меньше единицы.
Коэффициент фильтрации численно равен скорости фильтрации при i = l и может быть выражен в см/с, м/сут и т. п. (Табл. 1).
Коэффициент фильтрации может быть определен путем лабораторного анализа в специальных приборах, загруженных испытуемым грунтом, а также на основании механического анализа грунта с последующим применением эмпирических формул расчета.
Установлено, что коэффициент фильтрации зернистых грунтов зависит от величины пористости, действующей величины зерен грунта и вязкости фильтрующейся воды, которая в свою очередь зависит от температуры воды. Все эти величины в явном или скрытом виде входят в предложенные эмпирические формулы расчета коэффициента фильтрации.
Таблица 1 - Ориентировочные значения коэффициента фильтрации рыхлых горных пород
Порода |
Коэффициент фильтрации, м/сут |
Порода |
Коэффициент фильтрации, м/сут |
Глина Суглинок легкий Супесь Лёсс |
0,001 0,05…0,10 0,10…0,50 0,25…0,50 |
Песок мелкозернистый Песок крупнозернистый Гравий Галечник |
1…5 20…50 20…150 100…500 |