Вопрос 9. Гравитационная и упругая емкость.

В связи с наличием свободного пространства, не заполненного минеральным веществом, практически все горные породы характеризуются определенными емкостными свойствами (емкостью) и могут содержать (вмещать) определенное количество воды, воздуха, газов и других жидкостей.

Емкостные свойства г.п. отражают их способность к водоотдаче или водонасыщению, в процессе нестационарной фильтрации либо при изменении степени заполнения пор и трещин водой, либо в результате изменения порового объема водоносных г.п. и плотности воды при упругих или упруго-пластических деформациях сжатия-растяжения; соответственно в первом случае имеется в виду свободная (гравитационная) емкость, а во втором – упругая емкость г.п. Рассмотрим емкостные свойства отдельно для безнапорных пластов, где емкость имеет преимущественно гравитационный характер, и для напорных пластов, где она имеет исключительно упругий характер.

В безнапорных пластах при нестационарном режиме происходят колебания свободной поверхности потока, приводящие к осушению или насыщению пласта (соответственно при снижении и повышении уровней). Для характеристики этого процесса используется величина гравитационной емкости µ, представляющая собой изменение количества воды в породе при гравитационном осушении или насыщении, отнесенное к объему породы. При опускании свободной поверхности µ соответствует водоотдаче µ_в, а при повышении свободной поверхности – недостатку насыщения µ_н. Балансовая структура µ_в и µ_н представляется след формулами:

µ_в = n₀ – w_в – w_ст, µ_н = n₀ – w_в + w₀, где n₀ – активная пористость породы; w_ст – влажность стыковой воды (в углах пор); w₀ – влажность грунта в исходном состоянии (до насыщения); w_в – относительное объемное влагосодержание защемленного воздуха и иммобилизованной воды.

Поскольку величина µ используется как балансовая характеристика изменения объема воды в гравитационной зоне потока, то более правильно определять ее как отношение изменения объема воды в гравитационной зоне потока к изменению объема этой зоны, т.е. как изменение емкости гравитационной зоны ΔV₀ в единичном элементе безнапорного пласта (т.е. в элементе единичной площади в плане), отнесенное к изменению уровня свободной поверхности потока ΔH: µ = ΔV₀/ ΔH.

Величины µ существенно зависят от литологического строения и состава г.п.

Упругая емкость характеризует изменение водонасыщенности г.п., обусловленное их деформациями, возникающими при изменении напряженного состояния пласта вследствие действия гидродинамических факторов (изменение напора, водоотбора и т.п.).

Для обоснования параметров упругой емкости рассмотрим деформации элемента водоносного пласта объемом V_п под действием изменений давлений в воде p. Массовое количество воды в этом элементе будет M = γ*n* V_п, а его изменения ΔM = Δ(p*n* V_п). Вводя в это выражение вместо пористости коэффициент пористости e и учитывая соотношение n = e/ (1+e), обратим внимание на то, что величина V_п/(1+e) представляет собой объем скелета породы в рассматриваемом элементе пласта. Поскольку скелет породы значительно прочнее самой породы, то при деформациях породы объем скелета можно считать неизменным. Тогда можно записать, что V_п/(1+e) = const,

ΔM = Δ(p*n* V_п) = Δ(p*e* V_п/(1+e)) = V_п/(1+e)* Δ(p*e) = V_п/(1+e)* (Δ e*p+ Δp*e).

В качестве удельной характеристики упругой емкости, проявляющейся при действии гидродинамических факторов, введем упругую емкость (упругоемкость) породы η*, представляющую собой изменения объема воды, отнесенное к объему породы при единичном изменении напора.

В качестве удельной характеристики упругой емкости всего пласта нецелесообразно использовать упругую емкость пласта µ*, которая представляет собой отношение изменения объема воды в единичном элементе пласта к изменению напора (при действии гидродинамических факторов): µ* = ΔV₀/ ΔH,

Причем для водоносного пласта мощностью m имеем µ* = m * η*.

10. Поток подземных вод, представление о режиме, структуре течения и балансе. Типизация потоков подземных вод по условиям залегания водоносных толщ. Геофильтpационная схематизация, ее этапы - режим, пространственная структура, границы, геофильтрационные параметры

Поток подземных вод - ограниченный естественными границами элемент подземной гидросферы с единым направлением (едиными направлениями) движения подземных вод.

Расходом фильтрационного потока Q называется количество воды, проходящее в единицу времени через поперечное сечение потока (см3 / с , л/с, м3/сут и т.д.).

Все естественные границы потоков подземных вод подразделяются на границы двух типов: так называемые непроницаемые границы, изолирующие смежные потоки подземных вод, и условные

естественные границы, через которые возможно взаимодействие (наличие расхода) двух смежных потоков подземных вод. Естественными непроницаемыми границами потоков являются водоразделы,

под которыми аналогично поверхностным водоразделам понимаются линии с наиболее высоким положением поверхности подземных вод, разделяющие потоки с различными направлениями

движения, дрены, и границы (контакты) водоносных и слабопроницаемых пород.

Границы водоносных и слабопроницаемых пород являются основным типом границ потока в разрезе и реже границами потоков в плане (по площади распространения). В большинстве случаев границы подобного типа не являются абсолютно непроницаемыми, и через них осуществляется затрудненное взаимодействие двух смежных потоков подземных вод.

В качестве естественных границ второго типа (с условием взаимодействия двух смежных потоков подземных вод) обычно рассматриваются границы геологических структур, геологических

формаций, субформаций и литогенетических комплексов горных пород, границы геоморфологических элементов современной поверхности и др.

Уравнение движения V_l=-k_l*(dH/dl) («-» - в зависимости от выбора направления)

Уравнение баланса потока (неразрывности): суммаQ=dV/dl

Основная функция – характеристика – напор (определяется V течения по направлению течения – линии тока)

Потоки: 1) Напорный

2) Безнапорный

3) Субнапорный – может быть 1 и 2 в зависимости от способа бурения и вскрития водоносного горизонта (какая ёмкость определяет поток, гравитационная – безнапорный, упругая – напорный).

Структура потока описывается гидродинамической сеткой (системой линий тока и линий равных напоров). Включает в себя понятие об основных направлениях потока, откуда и куда течет; рассматривает пространственное соотношение между характером питания и разгрузкой.

По характеру деформации потоки: 1)Пространственный; 2) Плановый; 3) Линейный; 4) Профильный.

Геофильтрационная схематизация – переход от описания потока подземных вод к терминологии в гидрогеодинамике.

Этапы: 1) Время – обоснование стационарный или нестационарный процесс (режим)

2) Пространство – выбирается расчетная пространственная структура потока

3) Гриницы – определяется форма границ потока, задаются граничные условия

4) Параметры – геофильтрационные параметры питания (разгрузки) и строения (структуры).