Група 32-тб 27.10.Урок 15-16. Розділ ІІ. ОСНОВИ ГІДРОГЕОЛОГІЇ.

Тема: Характеристика окремих типів підземних вод

Тема уроку :  Не напірні і напірні води. Закони руху підземних вод.

Мета уроку: вивчити міжшарові ненапірні води. Напірні (артезіанські) води. Умови утворення, область поширення.  Гідростатичний напір, п’єзометричний рівень, артезіанський басейн. Закони руху підземних вод. Швидкість підземного потоку. Ламінарний рух, турбулентний рух. Рух підземних вод до водозбірних споруд.

План

1.              Міжшарові ненапірні води. Напірні (артезіанські) води. Артезіанський басейн. Умови утворення, область поширення.

2.              Закони руху підземних вод. Швидкість підземного потоку.    Ламінарний рух, турбулентний рух. Рух підземних вод до водозбірних споруд.

 

1.                                Міжшарові ненапірні води. Напірні (артезіанські) води. Артезіанський басейн. Умови утворення, область поширення.

Міжпластові води залягають між двома водоупорами у другому та подальших від земної поверхні водоносних шарах (рис. 1). Область їх живлення лежить тільки в місцях виходу водоносного пласта на земну поверхню. Міжпластові води дуже поширені в Україні, особливо у Дніпрово-Донецькому басейні. Служать основним джерелом поновлення річних вод та вод ярів під час засухи.

  

Рисунок 1 ― Підземні води

 За гідравлічним режимом розрізняють безнапірні та напірні підземні води.

 Безнапірні води течуть без будь-якого тиску, тільки під впливом сил гравітації. Усі ґрунтові води є безнапірними, оскільки мають вільну поверхню. Для утворення тиску потрібна різниця у рівнях міжпластових вод у різних точках.

До напірних відносять всі підземні води,  які на значних площах залягають між двома водонепроникними пластами і заповнюють всю потужність водопровідних порід. Напірні води  не мають вільної поверхні над собою.  При   напірних вод свердловинами,  вода піднімається вище за крівлю водоносного горизонту і утворює поверхню, яка називається п'єзометричним рівнем або рівнем рівних натисків

Яскравим прикладом напірних вод є артезіанські води. Вони дістали свою назву від назви французької провінції Артуа, де ще у 1126 р. були пробурені перші фонтануючі свердловини. Ці води формуються в особливих геологічних структурах, так званих артезіанських басейнах, які складаються з перешарування водоупорів та водоносних гірських порід при мульдоподібному або синклинальному (див. розд. 6) заляганні пластів (рис. 5.5).

В Україні відомі декілька артезіанських басейнів, такі як Дніпрово-Донецький (площею понад 350 тис. км²), Причорноморський та інші. Вони часто служать основним джерелом водопостачання міст та населених пунктів.

 

Рисунок 5.5 ― Артезіанські води:

1 – водоупор; 2 – артезіанські води; 3 – свердловина

 Артезіанський басейн  — басейн корисної копалини, сукупність водоносних горизонтів та комплексів, пов'язаних з від'ємними геологічними структурами (прогинами, западинами), в яких рух підземних вод відбувається під гідростатичним напором

  2.    Закони руху підземних вод. Швидкість підземного потоку.    Ламінарний рух, турбулентний рух. Рух підземних вод до водозбірних споруд.

Підземна вода знаходиться в порах, тріщинах та порожнинах гірських порід і рухається за загальними законами руху рідини, який може протікати у двох формах: ламінарної та турбулентної течій.

Ламінарна течія ― пересування частинок рідини в потоці досконало правильними паралельними цівками.

Турбулентна течія ― це пересування частинок рідини в потоці по траєкторіях у різних напрямках, так званий вихровий рух. Рух підземних вод дуже уповільнений і тому протікає ламінарно.

Для визначення закономірності руху підземних вод виділимо у підземному водоносному горизонті елементарний потік abсd і підрахуємо, яка кількість води протікає за одиницю часу (рис. 5.7).

Рисунок 5.7 ― Схема визначення дебіту водоносного горизонту

 Кількість води Q, що протікає за одиницю часу, прямо пропорційна площі поперечного перерізу елементарного потоку А, гідравлічному градієнту (напору) І та деякому коефіцієнту пропорційності kf. Таким чином,

 Q = AІkf.                                          (5.2)

 Розглянемо одиниці виміру формули (5.2): A-м², Q-м³/с, І - у долях одиниці, отже, розмірність kf - м/с. Розділимо праву та ліву частини на площу потоку А

 q = kf І,                                            (5.3)

 де q ― витрата води за одиницю часу через одиницю площі, яка дістала назву швидкості руху підземних вод і позначається як V

 V= kf І.                                            (5.4)

 Вираз   (5.4)  дістав  назву  закону руху підземних вод, встановленого у 1856 р. французьким гідрогеологом Дарсі: швидкість руху підземних вод  прямо пропорційна гідравлічному градієнту.

Коефіцієнт пропорційності kf називається коефіцієнтом фільтрації, визначається експериментально, залежить від типу порід і чисельно дорівнює швидкості руху води при І = 1.

Гідравлічний, або напірний, градієнт І визначається як відношення різниці рівнів підземних вод між двома точками по лінії течії до відстані між цими точками.

І = (Н1- Н2)/l.                                             (5.5)

Швидкість руху, визначена за формулою (5.4), не є дійсною швидкістю, а значно меншою при одному і тому ж гідравлічному градієнтові. Це пояснюється тим, що вода фільтрується не по всій площі А, а по тій частині, де є пори. Дійсна швидкість руху води

V = kfI/n,                                         (5.6)

де n ― пористість породи, тобто частина площі в     долях одиниці, яка припадає на пори.

Проте в практиці швидкість руху підземних вод все-таки визначають за формулою (5.4), тому що коефіцієнт фільтрації, який визначається експериментально, якраз і ураховує величину пористості.

Коефіцієнт фільтрації, а отже, і швидкість руху суттєво залежать від температури води. У довідковій літературі наводяться коефіцієнти фільтрації при температурі 10°С.

Для визначення коефіцієнта фільтрації у польових умовах перш за все необхідно визначити напрям руху підземних вод, так звану лінію течії. За наявності гідрогеологічної карти лінію течії визначають за допомогою гідроізогіпс. За відсутності такої карти потрібно пробурити не менше трьох свердловин, розташованих за трикутником. На основі виміру сталого рівня підземних вод визначають лінію з однаковими абсолютними відмітками води. Нормаль цієї лінії в сторону зменшення абсолютних відміток і є напрям руху підземних вод або лінія течії.

 Орієнтовні значення коефіцієнтів фільтрації такі: крупноуламкові породи (галька, щебінь, жорства) та сильно тріщинуваті скельні породи ― 100 ― 1000 м/добу; пісок крупний ― 20 ― 50; пісок середньої крупності ― 5 ― 20; пісок дрібний ― 5 ― 10 ; пісок пилуватий ― 1― 5; супісок ― 1 ― 2; суглинок― 0,1― 1; глина ― 0,1 ― 0,001 м/добу і менше.

Умови залягання та розповсюдження підземних вод відображаються на гідрогеологічних картах, які складаються на топооснові і на певну пору року. Поверхня (дзеркало) підземних вод зображується на картах у вигляді ізоліній - гідроізогіпс (грецьк. "гідро"― вода, "ізос"― рівний, "гіпсос" ― висота) ― ліній, що з'єднують однакові абсолютні (або відносні) відмітки дзеркала підземних вод.

 Для побудови гідрогеологічної карти пробурюють ряд розвідувальних свердловин по певній сітці. За допомогою мірної хлопавки вимірюють сталий рівень ґрунтових вод, а топографічним методом визначають абсолютні відмітки гирла свердловин та дзеркала підземних вод. Арифметичним методом або за допомогою палетки знаходять точки з однаковими відмітками поверхні підземних вод через певний крок (як правило, 0,5 ― 1 м), які з'єднують плавними кривими (рис. 5.12).

Гідроізогіпси мають всі властивості горизонталей. За допомогою такої карти можна визначити глибину до води у будь-якій точці як різницю між відмітками поверхні та дзеркала підземних вод, напрям руку, гідравлічний градієнт, а за необхідності і запроектувати дренажну систему.

Контрольні питання до теми уроку.

1.    Де знаходяться міжпластові води?

2.    Яка область живлення міжпластових вод?

3.    Як течуть безнапірні води?

4.    Де знаходяться напірні води?

5.    Чи мають напірні води вільну поверхню над собою?

6.    Напірні води це артезіанські води?

7.    Як пересуваються частинки рідини в потоці ламінарної течії?

Дайте відповіді на тестові питання: «Основи гідрогеології»

1.    Підземними називають :

А)всі  води, які містяться в товщах гірських порід земної кори;

 

Б) всі  води, які містяться в товщах гірських порід земної кори, а також між шарові напірні і не напірні води;

 

В) всі  води, які містяться в товщах гірських порід земної кори і всі підземні води.

 

2.    До верховодки належать підземні води:

 

А) які залягають на незначній глибині і мають обмежене розповсюдження за площею, потужністю 0,5 м 2 - 3м;

 

Б)  які залягають на незначній глибині і мають обмежене розповсюдження за площею, нагромаджується на поверхні невеликих лінзовидних тіл водотривких гірських порід, переважно глин,  потужністю 0,5 м  2-3м;

 

В) які залягають на незначній глибині і мають обмежене розповсюдження за площею, потужністю 0,5 м  2м.

 

3.    Водоносним шаром, або водоносним горизонтом називають:

 

А) шар порід, насичений водою;

 

Б) це ґрунтові води під якими знаходяться  водонепроникні породи;

 

В)  безнапірні води у породах.

 

4.    Рух називається ламінарним:

 

А) коли води переміщуються по порах і вузьких тріщинах у вигляді окремих тонких струминок, паралельних одна одній;

 

Б)коли  швидкість руху води в пісках від 0,5 до 5 м/добу, у грубозернистих гравійних пісках до 5 20 м/добу, а у галечниках і дуже тріщинуватих вапняках  досягає 100 м/добу і більше;

 

В) коли вода рухається спокійно без перемішування.

 

5.    За загальною мінералізацією води поділяються (за В.І.Вернадським) на групи: 

 

А) 1)прісні з загальною мінералізацією до 1 г/л; 2) солонуваті від 1 до 10 г/л; 3) солоні від 10 до 50 г/л; 4) розсоли понад 50 г/л;

 

Б) 1)прісні з загальною мінералізацією до 2 г/л; 2) солонуваті від 2 до 10 г/л; 3) солоні від 10 до 60 г/л; 4) розсоли понад 60 г/л; 

 

В) 1)прісні з загальною мінералізацією до 1-2 г/л; 2) солонуваті від 2 до 10 г/л; 3) солоні від 10 до 60 г/л; 4) розсоли понад 60 г/л.