Гидрогеология

 

Конвективное движение воды

Наряду с фильтрацией воды в горных породах имеет место ее конвекциятепло- 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 газлифтаспособа 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.

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.