Тема 4: Потоки підземних вод

Поняття потоку підземних вод. Основні класифікації потоків підземних вод. Характеристика елементів потоків підземних вод та гідродинамічної сітки фільтрації. Поняття структури потоків підземних вод. Теоретичні основи математичної моделі, що описує процес фільтрації.

Головні питання та відповіді теми:

1. Що являє собою поняття "басейн" в ДПВ?

В ДПВ поняття “басейн” означає зосередження в замкнутому пласті підземних вод при практичній відсутності їх руху. На практиці це протоки з дуже незначними ухилами та швидкістю фільтрації майже рівній нулю. Поняття “басейн підземних вод” в ДПВ є умовним.

2. Що означає поняття "потік" в ДПВ?

Це така гідрогеологічна структура, в якій підземні води знаходяться в стані руху, гідродинамічний напір в різних місцях потоку різний.

3. Як класифікуються потоки підземних вод за гідравлічними ознаками?

За гідравлічними ознаками потоки поділяють на безнапірні, напірні, напірно-безнапірні.

4. Що таке “безнапірний потік” підземних вод?

Безнапірні (ґрунтові) потоки характеризуються тим, що в них верхньою межею є вільна поверхня води (потоки з вільною поверхнею).

5. Що таке “напірний потік” підземних вод?

Напірні потоки верхньою межею мають слабо проникний або непроникний пласт. Їх напірні властивості появляються в тому, що при розкритті пласта підземні води піднімаються вище верхньої межі потоку – до рівня п’єзометричної поверхні підземних вод.

6. Що таке “напірно-безнапірний” потік підземних вод?

Напірно-безнапірними називаються такі напірні потоки, в окремих зонах яких утворюється вільна поверхня підземних вод, чи навпаки - такі безнапірні, в окремих зонах яких при розкритті пласта підземні води піднімаються вище верхньої межі потоку.

7. Як класифікуються потоки підземних вод по зміні їх елементів у просторі?

По зміні елементів потоків підземних вод у просторі потоки поділяють на рівномірні та нерівномірні.

8. Що таке “рівномірний потік” підземних вод?

Рівномірними називаються такі потоки підземних вод, швидкість яких не змінюється по протяжності потоку.

9. Що таке “нерівномірний потік” підземних вод?

В нерівномірних потоках підземних вод швидкість змінюється по протяжності потоку.

10. Як класифікуються потоки підземних вод по зміні їх елементів у часі?

По зміні елементів потоків підземних вод у часі потоки поділяють на усталені та неусталені.

11. Що таке “усталений потік” підземних вод?

Усталеними (стаціонарними) потоками підземних вод називаються такі потоки, в кожній точці яких їх гідродинамічні елементи є незмінними в часі.

12. Що таке “неусталений потік” підземних вод?

Неусталеними (нестаціонарними) потоками підземних вод називаються такі потоки, в кожній точці яких їх гідродинамічні елементи змінюються в часі.

13. Які межі потоків виділяються у ДПВ?

В ДПВ виділяють верхні, нижні, бокові, внутрішні межі.

14. Що можна вважати “верхньою межею” потоків підземних вод?

Верхньою межею потоків підземних вод можна вважати вільну поверхню ґрунтових вод, водотривкий або слабо проникний шар.

15. Що являє собою “нижня межа” потоків підземних вод?

Нижнею межею потоків підземних вод можна вважати водотривкий або слабо проникний шар.

16. Що таке “бокові межі” потоків підземних вод?

Боковими межами потоків підземних вод є місця, де водоносний горизонт виклинюється або розмитий, чи межує з водонепроникними породами (так звані геологічні межі). Також боковими межами можуть бути місця, де водоносний горизонт розвантажується чи живиться, наприклад, річка (так звані гідрогеологічні межі).

17. Що таке “внутрішня межа” потоків підземних вод?

Внутрішніми межами потоків підземних вод є річки, водойми, горизонтальні дрени, водозабірні свердловини, що розташовані в межах площі розповсюдження потоку.

18. Яка схематизація меж потоків характеризує їх різновидності в плані?

При схематизації меж потоків у плані потоки поділяють на необмежені, напівобмежені та обмежені.

19. Що таке “необмежені потоки” підземних вод?

Це такі потоки підземних вод, межі яких віддалені на значну відстань від місця, що розглядається, так, що будь-які зміни на межах не впливають на зміну характеристик потоку в даному місці.

20. Що таке “напівобмежені потоки” підземних вод?

Це такі потоки підземних вод, для яких одна з меж потоку фіксується у вигляді прямої лінії.

21. Які потоки підземних вод називаються обмеженими?

Це такі потоки підземних вод, межі яких чітко визначені.

22 .Які види обмежених потоків виділяються у ДПВ?

В ДПВ виділяють такі обмежені потоки: пласт - смуга, пласт – кут, пласт – коло.

23. Що таке “гідродинамічні елементи” потоку підземних вод?

Гідродинамічні елементи потоку - це характеристичні величини, що несуть основну інформацію про потік підземних вод та повністю його визначають. Таких елементів нараховують п’ять.

24. Які існують гідродинамічні елементи потоку підземних вод?

Гідродинамічні елементи потоку підземних вод: гідродинамічний напір, градієнт напору, напрямок руху потоку, швидкість фільтрації, фільтраційна витрата потоку.

25. Що таке гідродинамічний напір потоку?

Гідродинамічний напір визначається за такою залежністю:

. (4.1)

26. Що таке "градієнт напору"?

Градієнт напору визначається за залежністю (2.6) або

. (4.2)

27. Як можна визначити напрямок руху потоку підземних вод?

За трьома точками, в яких відомі значення гідродинамічного напору.

28. Що таке швидкість фільтрації підземних вод?

Швидкість фільтрації визначається за залежністю (2.5).

29. Що таке фільтраційна витрата потоку підземних вод?

Фільтраційна витрата визначається за залежністю (2.4).

30. Що таке "фільтраційний опір” потоку підземних вод?

Виходячи з (2.4) та (2.6), можна записати: , (4.3)

де ширина потоку підземних вод;

потужність цього потоку.

Прийнявши, що:

, (4.4)

, (4.5)

вираз для фільтраційної витрати потоку можна записати у такому вигляді:

, (4.6)

де - фільтраційний опір потоку.

Фільтраційний опір являє собою відношення втрат напору до витрати потоку і залежить від геометричних розмірів ділянки потоку та коефіцієнту фільтрації.

31. Що таке "коефіцієнт водопровідності потоку"?

Коефіцієнт водопровідності являє собою добуток коефіцієнта фільтрації та потужності потоку. Визначається за залежністю (4.4).

32. Яку розмірність має коефіцієнт водопровідності?

Розмірність коефіцієнту водопровідності м²/діб.

33. Що таке "гідродинамічна сітка фільтрації"?

Оскільки гідродинамічні елементи потоку підземних вод є різними в різних його точках, для характеристики потоку в цілому використовують гідродинамічну сітку.

Гідродинамічною сіткою фільтрації називається креслення, що складається з ліній рівних гідродинамічних напорів, проведених з заданим інтервалом, та ліній току, що вказують напрямок руху потоку у кожній точці. Та частина гідродинамічної сітки фільтрації, що знаходиться між сусідніми лініями току, що проведені між межами області фільтрації, називається стрічкою току. Клітинку сітки утворює перетин двох сусідніх ліній рівних гідродинамічних напорів та двох сусідніх ліній токів

34. З яких елементів складається гідродинамічна сітка фільтрації?

Гідродинамічна сітка складається з ліній рівних гідродинамічних напорів, ліній току, клітинок та стрічок току.

35. За якими правилами будується гідродинамічна сітка фільтрації?

Гідродинамічна сітка фільтрації будується з врахуванням таких правил (провила одночасно є й основними властивостями гідродинамічної сітки):

а) лінії рівних гідродинамічних напорів та лінії току завжди взаємно ортогональні;

б) втрати гідродинамічного напору в кожній клітинці гідродинамічної сітки фільтрації повинні бути однаковими;

б) через будь яку клітинку гідродинамічної сітки фільтрації проходить однакова витрата потоку.

36. Що характеризує гідродинамічна сітка фільтрації?

Гідродинамічна сітка характеризує усталений потік підземних вод (його гідродинамічні елементи) або неусталений потік (його гідродинамічні елементи) на певний момент часу.

37. Що таке "властивість конформності" гідродинамічної сітки фільтрації?

За умови сталого коефіцієнту водопровідності відношення ширини клітинки стрічки току до її довжини є постійною величиною.

38. Що таке “структура потоку” підземних вод?

Структурою потоку підземних вод називається розподіл в потоці гідродинамічних напорів, швидкостей та інших гідродинамічних елементів, який залежить від особливостей руху підземних вод. В формуванні структури потоків велике значення відіграє будова водовмісної товщі, від якої залежить зміна її водопроникності.

39 .Які основні фактори впливають на формування структури потоку підземних вод?

Це такі фактори як: ступінь водонасиченості гірських порід, умови живлення та розвантаження потоку, характер залягання водовмісних порід, фільтраційні властивості порід, форма та характер меж потоку.

40. Які основні типи потоків виділяють в залежності від характеру водопроникності пластів?

Однорідні, шматково-однорідні, однорідно-шаруваті, неоднорідно-шаруваті.

41. Що таке "однорідні” потоки підземних вод?

Однорідні потоки пов’язані з пластами однорідної будови, водопроникність яких в розрізі та по довжині потоку майже не змінюється.

42. Що таке "шматково-однорідні (шматково-неоднорідні)” потоки підземних вод?

Шматково-однорідні потоки характеризуються тим, що по довжині таких потоків виділяються зони з різною водопроникністю, проте в межах кожної з таких зон потоки є однорідними.

43. Які потоки підземних вод називаються “однорідно-шаруватими”?

Однорідно-шаруваті потоки приурочені до пластів шаруватої будови; водопроникність (коефіцієнти фільтрації) шарів таких потоків відрізняється не більше ніж в 20 разів.

44. Які потоки підземних вод називаються “неоднорідно-шаруватими”?

Неоднорідно-шаруваті потоки приурочені до пластів шаруватої будови; водопроникність (коефіцієнти фільтрації) шарів таких потоків відрізняється більше ніж в 20 разів (характерним є сусідство проникних та слабо проникних шарів).

45. Яку мірність течії мають реальні потоки підземних вод?

Всі реальні потоки, що розглядаються в прямокутній системі координат, є просторовими (тримірними).

46. Які потоки підземних вод по мірності течії розглядається в ДПВ?

Умовно по мірності течії в ДПВ виділяють такі потоки: лінійні (одномірні), площинні (двомірні), просторові (тримірні)

47. Які потоки підземних вод вважаються лінійними (одномірними)?

Це потоки, для яких переважаючим є напрямок руху рідини вздовж однієї з координатних осей.

48. Що Які потоки підземних вод вважаються площинними (двомірними)?

Це потоки, для яких переважаючим є рух рідини вздовж двох координатних осей (рух відбувається паралельно деякій площині).

49. Як класифікують двомірні потоки підземних вод?

Виділяють площинно-горизонтальні (планові) потоки та площинно-вертикальні (профільні) потоки.

50. Що таке “площинно-горизонтальний” потік підземних вод?

Це потік підземних вод, рух якого відбувається переважно в горизонтальній площині.

51. Що таке “площинно-вертикальний” потік підземних вод?

Це потік підземних вод рух, якого відбувається переважно у вертикальній площині.

52. Що таке ”планово-просторовий” потік підземних вод?

Це потік підземних вод, приурочений до пластів неоднорідно-шаруватої будови при чергуванні водопроникних та слабо проникних шарів. Рух рідини у водопроникних шарах розглядається у горизонтальній площині, у слабко проникних - у вертикальній. За рахунок цього відбувається перетік рідини через слабо проникний шар з одного водопроникного шару до іншого. Це так звана передумова перетікання (передумова Мятієва – Гірінського).

53. Які середовища називають ізотропними та анізотропними?

Якщо водопроникність порід (коефіцієнт фільтрації) у всіх напрямках однакова, то середовище називається однорідним (ізотропним). Якщо водопроникність порід (коефіцієнт фільтрації) різна у різних напрямках, то середовище називається анізотропним.

Задача №4.1

На основі роздавального матеріалу класифікувати потік підземних вод за гідравлічними властивостями.

Задача №4.2

На основі роздавального матеріалу визначити:

1.Гідродинамічний на пір в точках А та В.

2.Швидкість фільтрації по лінії А - В.

3.Витрату потоку по лінії С – Д.

Задача №4.3

На основі розданого матеріалу виконати класифікацію потоків за характером водопроникності пластів.