Движение подземных вод
Просачивание воды в почву
Впитывание, или инфильтрация, — процесс проникновения влаги в почву. Передвижение ее от слоя к слою в условиях различной степени насыщения водой нижерасположенных горизонтов почво-грунтов относится к процессу просачивания. Процесс этот сложный и состоит из нескольких стадий.
Чаще выделяют две стадии: впитывания и фильтрации.Вода атмосферных осадков, попадая на сухую почву, в начальный момент подвергается действию сорбционных и капиллярных сил и интенсивно поглощается поверхностью почвенных частиц. Постепенно поры малого сечения заполняются и движение воды в стадии впитывания осуществляется в виде пленочного и капиллярного перемещения. При полном насыщении всех пор движение воды в стадии фильтрации происходит под преобладающим действием силы тяжести и характеризуется законом ламинарного движения. В почво-грунтах всегда имеются крупные пустоты, трещины, ходы корневой системы растений, по которым вода с поверхности почвы в форме капельно-струйчатого (турбулентного) движения может проникать на ту или иную глубину. Этот процесс называют инфлюацией. Соотношение между всеми формами движения меняется в широких пределах в зависимости от влажности почво-грунтов, их механического состава, культурной обработки, наличия воздушных пробок и т. п.
Количественные характеристиками впитывания, или инфильтрации:
- интенсивность впитывания - количество воды в миллиметрах слоя, поглощенной почвой в единицу времени (мм/мин).
- суммарная величинавпитывания - слой воды, поглощенной почвой за некоторый промежуток времени, выражается в мм.
Интенсивность впитывания зависит не только от водных свойств почво-грунтов, но в значительной степени определяется и их влажностью. Если почва сухая, она обладает большой инфильтрационной способностью и в первый период времени после начала дождя интенсивность впитывания близка к интенсивности дождя. С увеличением влажности почво-грунтов интенсивность инфильтрации постепенно уменьшается и при достижении полной влагоемкости в стадии фильтрации становится постоянной, равной коэффициенту фильтрации данного почво-грунта.
Впитывание воды происходит и в мерзлую почву во время снеготаяния, но такое состояние почвы существенно замедляет процесс инфильтрации и фильтрации. При этом интенсивность процесса зависит от начальной влажности перед замерзанием.
Передвижение воды в водоносных слоях со свободной поверхностью.
Формула Дарси
В природе существуют два вида движения воды:
1. Ламинарное свойственно движению воды в мелкозернистых породах. Скорости движения в них невелики и измеряются метрами или даже сантиметрами в сутки.
2. Турбулентное –вкрупнообломочных и трещиноватых породах, где скорости движения воды значительно больше.
В обоих случаях движение воды в водоносных слоях со свободной поверхностью совершается под влиянием гидростатического напора от мест с более высоким уровнем к местам с более низким уровнем.
В естественных условиях вода передвигается по направлению к выходам источников, к открытым водоемам, если уровень в последних стоит ниже, чем уровень воды в водоносном пласте, и, наоборот, может уходить из водоемов в грунт при обратном соотношении уровней. Движение воды в водоносном пласте может быть вызвано искусственно откачкой воды из колодца, искусственным дренажем.
Наиболее изучен закон движения воды в мелкозернистых породах — в песках с мелкими, преимущественно капиллярными порами (Рис. 6). Движение воды в случае фильтрации подчиняется закону Дарси, выражаемому формулой
где Q — количество воды в м3/с, протекающей в единицу времени через данное поперечное сечение породы площадью Fм2; К — некоторая величина, называемая коэффициентом водопроводимости или коэффициентом фильтрации; h — напор; l — длина пути фильтрационного потока в метрах.
Рис. 6. Разрез участка подземного потока.
Величина напора определяется по разности уровней в двух сечениях потока, т. е. h = H1 - H2, где H1 и H2 — высота уровней в точках АиВ. Под влиянием напора вода из сечения АА1перемещается в направлении сечения BB1.
Отношение i есть падение напора на единицу длины пути фильтрации, т. е. напорный градиент, или гидравлический уклон, и обозначается
i =h/l.
Разделив обе части равенства на площадь F, получим
где v =Q/F.
Величина vносит название скорости фильтрации.
Скорость фильтрации не является действительной скоростью движения воды в порах породы, она представляет фиктивную (приведенную) скорость движения воды. Площадь поперечного сечения потока Fвформуле принята равной площади поперечного сечения породы, тогда как в действительности вода передвигается в породе только по порам и площадь сечения потока равна общей площади пор. Чтобы получить действительную скорость движения вод в порах грунта и, надо расход воды Q разделить на площадь, занятую порами, т. е.
где р — коэффициент пористости.
Действительная скорость движения воды больше скорости фильтрации (u>v),так как коэффициент пористости меньше единицы.
Коэффициент фильтрации численно равен скорости фильтрации при i = l и может быть выражен в см/с, м/сут и т. п. (Табл. 1).
Коэффициент фильтрации может быть определен путем лабораторного анализа в специальных приборах, загруженных испытуемым грунтом, а также на основании механического анализа грунта с последующим применением эмпирических формул расчета.
Таблица 1
Ориентировочные значения коэффициента фильтрации рыхлых горных пород
Порода | Коэффициент фильтрации, м/сут | Порода | Коэффициент фильтрации, м/сут |
Глина Суглинок легкий Супесь Лёсс | 0,001 0,05—0,10 0,10—0,50 0,25—0,50 | Песок мелкозернистый Песок крупнозернистый Гравий Галечник | 1—5 20—50 20—150 100—500 |
Установлено, что коэффициент фильтрации зернистых грунтов зависит от величины пористости, действующей величины зерен грунта и вязкости фильтрующейся воды, которая в свою очередь зависит от температуры воды. Все эти величины в явном или скрытом виде входят в предложенные эмпирические формулы расчета коэффициента фильтрации.
Источники
На склонах долин, оврагов, по склонам гор, в пониженных местах котловин весьма часто наблюдаются выходы водоносных пластов на поверхность земли. Если водоносный пласт обнажен до уровня циркулирующих в нем вод, то в месте пересечения зеркала подземных вод с поверхностью земли подземные воды выходят на поверхность.
Различают:
- пластовые выходы -равномерное увлажнение склона на относительно большом расстоянии вдоль пересечения его с водоносным пластом;
- источники (родники) - сосредоточенные выходы подземных вод в виде отдельных струй или потоков.
По характеру выхода и условиям питания источники подразделяются на:
- нисходящие -свободный сток воды из водоносных горизонтов (обычно грунтовой и межпластовой) со свободной поверхностью;
- восходящие - выходы напорных вод.
В карстовых областях формируются довольно мощные источники с расходом воды в отдельных случаях до нескольких кубических метров в секунду. По способу выхода на поверхность источники карстовых областей очень разнообразны.
Наиболее распространены:
- переливные -выходы грунтовых вод из водоносного горизонта, залегающего на вогнутой поверхности водоупора (рис. 7). Режим этих источников неустойчив; с падением уровня дебит источника быстро уменьшается и наоборот. К данному типу относится известный источник Воклюз во Франции. По названию этого источника подобные переливные источники получили наименование воклюзских.
- перемежающиеся или сифонные -характерно наличие резервуара — пещеры, в которой накапливается вода, и отводного канала в форме сифона. Источник действует только тогда, когда вода в резервуаре достигает уровня верхнего колена сифона.
Рис. 7. Переливной (а) и сифонный (б) источники.
Восходящие источники характерны для областей со сложной тектоникой. Часто они приурочены к зонам тектонических разрывов. В этом случае вода по трещинам с некоторой глубины под гидростатическим давлением, давлением пара или газа поднимается на поверхность. Восходящие источники обладают обычно большим дебитом и иногда высокой температурой.
Источники, выбрасывающие воду под действием давления паров воды, имеющих на некоторой глубине температуру выше 100°С, называются гейзерами. Гейзеры действуют периодически.
Дата добавления: 2016-10-18; просмотров: 4210;