3.5. Границы применимости закона Дарси

Линейный закон фильтрации применим не для всех типов вод. Первое ограничение по его применению связано с определенной скоростью фильтрации. При значительных скоростях фильтрации он нарушается за счет влияния инерционных сил и турбулентности потока (верхний предел применимости). При малых скоростях фильтрации на движение влияют не только силы трения, но и силы молекулярного притяжения, действующие со стороны минеральных частиц горной породы. В том и другом случае нарушается прямая зависимость между скоростью фильтрации и напорным градиентом. Закон Дарси применим поэтому только для ламинарного типа движения. Третье ограничение рассматриваемого закона связано с тем, что он разрабатывался для условий свободной фильтрации жидкости, т.е. для вод климатического круговорота. Распространять его действие на воды геологического круговорота, механизм движения которых иной, пока нет оснований. Элизия воды из глинистых отложений при их уплотнении происходит также при определенном начальном градиенте. Применительно к процессам элизии, механизм которых можно уподобить поршневому вытеснению, расход форми­рующегося потока определяется не градиентом напора, а многими другими факторами. Поэтому ожидать прямой за­висимости между расходом потока и градиентом напора нет основа­ний. Необходимы в этом плане специальные исследования.

3.6. Конвективное движение волы

Наряду с фильтрацией воды в горных породах имеет место ее конвекция — тепло- и массоперенос движущимися потоками веще­ства, в данном случае дополнительный перенос воды не обязательно в направлении ее основного движения. Особенно велико значение конвекции в переносе в водном растворе растворенных в них солей.

Одним из примеров конвективного переноса является вертикаль­ное перемещение в гравитационном поле подземных вод, имеющих разные плотности. В этом случае более тяжелая вода может опус­каться в нижние горизонты, а более легкая — в верхние. Правда, этот эффект может значительно проявляться только в том случае, если боковое движение воды (фильтрация) будет незначительным.

Различие в плотности природной воды может быть обусловлено их разной температурой или концентрацией растворенного вещества. В первом случае конвективное движение называется тепловым, во втором — концентрационным.

Особенно ярко тепловая конвекция проявляется в том случае, когда меняется фазовое состояние воды. Фильтрующаяся в глубо­кие горизонты вода, нагреваясь и переходя в пар, резко меняет свою плотность, что заставляет ее как более легкую двигаться вверх. Поднимаясь и охлаждаясь, пар снова переходит в жидкость, которая опускается. Так возникает явление газлифта - способа подъема воды, обусловленного разрежением за счет попадания газа или образования пара. Такой способ подъема воды использу­ется и человеком, когда в воду специально нагнетается воздух и она, становясь более легкой, поднимается. В этом случае метод подъема воды получил название эрлифт.

3.7. Понятие об установившейся фильтрации

Фильтрация подземных вод в пористой или трещиноватой среде горных пород может иметь установившийся или неустановившийся характер. Строго говоря, движение подземных вод в горных породах всегда является в той или иной мере неустановившимся, т.е. переменным во времени. Неустановившееся движение проя­вляется в изменениях уровня подземных вод, что обусловливает изменения напорных градиентов, скоростей фильтрации и расхода подземного потока. Изменения эти могут быть вызваны влиянием естественных или искусственных факторов, определяющих условия питания, движения и разгрузки подземных вод. К числу таких фак­торов можно отнести неравномерное выпадение и инфильтрацию ат­мосферных осадков, колебания горизонтов поверхностных водоемов паводки на реках, сооружение и функционирование водохранилищ и каналов, процессы орошения и осушения земельных территорий откачки подземных вод из скважин и горных выработок, захороне­ние сточных вод и др.

В районах, где условия питания и разгрузки подземных вод из­меняются во времени незначительно, движение подземных вод можно рассматривать как установившееся, т. е. практически не изменяющееся во времени. При установившейся фильтрации уровни и скорость движения подземных вод в одних и тех же точках не из­меняются во времени, являясь лишь функцией координат простран­ства.

Установившееся и неустановившееся движение подземных вод на­блюдается как в безнапорных, так и в напорных водоносных гори­зонтах. Особенно резко выраженный неустановившийся характер носит движение подземных вод в первый период работы водозабор­ных сооружений. При этом следствием неустановившегося движения в безнапорных водоносных горизонтах является осушение части водо­носного горизонта (в пределах создаваемой депрессии), происходя­щее при понижении уровня в процессе откачки воды. Осуше­ние пласта в зоне влияния откачки происходит постепенно, вы­зывая изменение уровня, скорости движения и расхода подземного потока.

При изучении условий движения подземных вод неглубоких безнапорных водоносных горизонтов упругие свойства воды и горных пород обычно не учитываются, а соответствующий этому режим фильтрации называется жестким.

В напорных водоносных горизонтах неустановившееся движение определяется упругими свойствами воды и горных пород. При вскры­тии напорных вод скважинами и снижении напоров при откачках про­исходит разуплотнение воды с одновременным упругим расширением пород, под влиянием чего вода как бы выдавливается из пласта в сква­жины (водозаборные сооружения). Так возникает своеобразный упру­гий режим подземных вод, соответствующий неустановившемуся ха­рактеру их фильтрации.