2.3.8. Рух підземних вод

Особливості руху води у пористому середовищі були вже розглянуті у пункті 1.2.17. В природі рух основної частини вод у зоні активного водообміну починається від поверхні. Спочатку вони попадають в зону аерації. Тут відбувається процес інфільтрації (всмоктування) води в ґрунти та породи пори яких в основному вільні від води. Вона поділяється на дві стадії (два види):

1) вільне просовування;

2) нормальну інфільтрацію.

На першій стадії швидкість всмоктування набагато вища, саме завдяки відкритості пор. По мірі їх заповнення вона стабілізується — встановлюється нормальна інфільтрація. Приклад кривої інфільтрації показано на рис. 2.32. Інфільтраційні води можуть досягнути рівня ґрунтових, або залишитися в зоні аерації у вигляді підвішеної вологи.

Безнапірні ґрунтові води рухаються за нахилами поверхні водоносного горизонту та власної поверхні за законами фільтрації:

_ф = = К_ф · І. (2.7)

Коефіцієнт фільтрації може змінюватися від 100-200 метрів на добу для галечників до 0,001-0,0001 м/добу для глин. В різних пісках (з домішками або без) він становить 1-50 м/добу.

Перехід до турбулентного режиму реально можливий тільки в крупних тріщинах або порожнинах. Для перехідних режимів використовують таку формулу:

(2.8)

де І — гідравлічний похил, а та b — коефіцієнти, що визначаються експериментальним шляхом. При b = 0 формула перетворюється в формулу Дарсі. При великих швидкостях фільтрації складовою a можна знехтувати за малістю її величин. Тоді формула (2.8) отримує вигляд формули Шезі-Краснопольського:

(2.9)

де — коефіцієнт турбулентної фільтрації (Краснопольського). Його визначають польовими дослідженнями.

Фільтраційні потоки характеризують певними елементами. Гідравлічний напір підземних вод як правило не враховує швидкісний з а р а х у н о к

м а л и х з н а ч е н ь ш в и д к о с т е й . То м у й о г о з а п и с у ю т ь т а к :

(2.10)

Це п’єзометричний напір (рис. 2.33), а відношення це п’єзометрична висота. У динаміці підземних вод (гідрогеодинаміці) п’єзометричний напір називають просто напором. Для безнапірних вод вони співпадають з відмітками, а для напірних вод враховують додатковий тиск. Крім того для напірних вод розрізняють поняття напору над крівлею даного горизонту та поняття надлишкового напору, над денною поверхнею (див. рис. 2.34).

При русі підземних вод частина енергії (напору) витрачається на тертя. Тому, якщо розглядати вертикальний розріз поздовж напрямку руху, отримаємо криву пониження напору. Для вільної поверхні вона називається кривою депресії, а для напірних вод — п’єзометричною кривою. Дійсне значення їх похилу у певній точці називають напірним градієнтом:

. (2.11)

Напрямки руху підземних потоків характеризують лініями токів. Вони співпадають з траєкторіями руху часток рідини, якщо рух сталий. Лінії перпендикулярні до ліній токів називають лініями рівних напорів (еквіпотенціалі). Їх проекції на горизонтальну площину називають гідроізогіпсами (для безнапірних вод) та гідроізоп’єзами (для напірних).

Різноманітність задач динаміки підземних вод дуже велика. Це рух вод в зоні аерації, ґрунтових, напірних, тріщинних, кастрових вод, притік до свердловин та колодязів та інші.