Виды воды в горных породах. Вода в форме пара. Связная вода. Капиллярная вода. Гравитационная вода. Вода в твердом состоянии – лед.
Водные свойства горных пород. Влагоемкость – способность горных пород вмещать и удерживать в себе то или иное количество воды (влагоемкие породы: торф, глина, суглинок; слабо влагоемкие: глинистый песок, лесс, мергель, глинистый песчаник; невлагоемкие: песок, гравий, изверженные и скальные породы). Полная, капиллярная и максимальная молекулярная влагоемкость.
Таблица 2.3
Высота капиллярного подъема воды
Недостаток насыщения – тот объем, который может принять порода – разность между полной влагоемкостью и естественной влажностью. Водоотдача – способность воды вытекать из водонасыщенной породы под действием гравитации. Водопроницаемость – способность горных пород пропускать через себя воду. Водопроницаемые: галечник, гравий, песок; Полупроницаемые: глинистый песок, супесь, легкий суглинок; Водонепроницаемые: глина, тяжелый плотный суглинок, хорошо разложившийся торф, скальные и полускальные не трещиноватые породы.
Формы питания и разгрузки подземных вод. Питание: атмосферные осадки, перетекание из одних водоносных горизонтов в другие, включая «гидрогеологические окна», поверхностные водотоки при изменении их уровня. Разгрузка: природные дрены (речные долины, озера, болота), перетекание в более глубокие водоносные горизонты, источники (восходящие, нисходящие)
Режим подземных вод – процесс изменения во времени гидродинамических и гидрогеохимических характеристик потока. Определяется 1) экзогенными факторами: климат, гидрологические условия, 2) эндогенными факторами: эпейрогенические движения земной коры, землетрясения, 3) техногенные факторы: орошение, осушение, подъем уровня грунтовых вод на селитебных территориях. Основная природная закономерность: изменчивость режима подземных вод, как правило, снижается вниз по разрезу, от вод зоны аэрации к грунтовым и далее к межпластовым.
Баланс подземных вод- сопоставление приходных и расходных компонентов подземного стока для определенной гидрогеологической структуры. Qприход.= Qрасход. Qприход. = Qатм. питание + Qперетек. + Qпов.водотоки + Qтехног. Qрасход. = Qиспар. + Qперетек.+ Qпов.водотоки +Qводоотбор.
Физические свойства и химический состав подземных вод. Физические свойства. Плотность. Температура: определяется природными условиями (более 100° С - зоны вулканической деятельности, отрицательные температуры – криопеги, нормальная температура 5-12° С). Прозрачность: прозрачные, слегка мутные, мутные, очень мутные, Цвет: обычно бесцветные, жесткие воды – голубоватые, содержащие железо Fe2+, сероводород – серо-голубые, органическое вещество – желтые, минеральные частицы – сероватые. Запах: обычно отсутствует. Для определения запаха воду нагревают до 40 -50 ° С. Вкус: HCO3-, Ca2+, Mg2+, CO2 - приятный вкус, органика – сладковатый вкус, NaCl – солоноватые, MgSO4, CaSO4 – горькие, железо – ржавый вкус. Электропроводность зависит от состава и количества растворенных солей и составляет 10-5 -10-3 Ом-1. Радиоактивность определяется количеством радона (почти все содержат радон).
Химический состав подземных вод определяется по шестикомпонентному составу: анионы HCO3-, SO42-, Cl- и катионы Na+, Ca2+, Mg2+. Жесткость воды. Общая жесткость – суммарное содержание ионов кальция и магния. Временная (устранимая) жесткость характеризуется содержанием бикарбонатов кальция. Остаточная жесткость – разница между общей жесткостью и временной жесткостью. Соединения азота – NO2, NO3, NH4 – присутствуют в природных водах в незначительных количествах и при содержании выше ПДК определяют их загрязнение. Железо проявляется в виде бурого осадка в источниках. Сухой остаток: суммарное содержание водорастворимых солей (питьевая вода должна содержать не более 1000 мг/л водорастворимых солей, для целей питьевого водоснабжения могут использоваться воды с содержанием простых солей 2000-3000 мг/л. Углекислота входит в состав воды в свободном состоянии (СО2), связанном (карбонат – ионы), полусвязанном (бикарбонат-ионы). Сероводород встречается в растворенном состоянии. Воды, содержащие сероводород неприятно пахнут и приурочены к минеральным источникам. Органическое вещество содержится повсеместно в болотных водах, частично в поверхностных водах (верховодке) или в подземных водах являются признаком загрязнения (бактериологический состав). Химический состав вод определяет агрессивность по отношению к металлическим и бетонным конструкциям сооружений. Сульфатная, углекислотная и кислотная агрессивности.
Движение воды в горных породах осуществляется за счет пленочного движения, свободного просачивания и нормальной фильтрации. Нормальная фильтрация – это движение воды сплошной массой на значительных площадях через пористые или трещиноватые среды.
Основные законы движения подземных вод. Линейный закон фильтрации (закон Дарси) описывает ламинарное движение грунтовых вод, движение без разрыва сплошности. Он описывается уравнением Дарси: Q = k*(h/l)*ω, где Q – расход воды, см3/с – количество воды, просачивающееся в единицу времени, h – разность напоров, l – длина пути фильтрации, ω – площадь сечения потока, k – коэффициент фильтрации – постоянная величина. Скорость фильтрации: V = Q/ ω, (см/с, м/сутки) или V= k*(h/l). Напорный градиент (уклон, гидравлический градиент) I= h/l – падение напора на единицу пути фильтрации. Разность уровней в двух точках, расположенных по направления потока. Если ω = в*Н, где в – ширина потока, а Н – мощность, то Q = k*в*Н*I. Единичный расход грунтового потока – расход на 1 м его ширины: q = Q/в = k*Н* I. Расчет единичного грунтового потока позволяет оценить длину водозаборного или водоотводящего сооружения. Коэффициент фильтрации – количество воды, протекающее в единицу времени, через площадь поперечного сечения, равную единице, при напорном градиенте, равном единице. Численно коэффициент фильтрации равен скорости фильтрации при напорном градиенте 1. Действительная скорость фильтрации (u) – действительная скорость движения воды с учетом пористости. Если площадь фильтрующего сечения ω*n, то u = Q / ω*n, а V = Q/ ω или V = u* n, а u = V/ n. При ламинарном движении (закон Дарси) скорость фильтрации всегда меньше действительного значения.
Нелинейный закон фильтрации описывает движение турбулентного потока (большие скорости, вихреобразность и перемешивание отдельных струй) и выражается формулой:
Q = ω* kт√ I.
Направление и скорость потока определяется при построении либо линий равных уровней (гидроизогипс) либо линий равных напоров (гидроизопьез) и подробно описаны в задании 5 настоящего пособия. Методами полевого определения этих параметров служат измерение удельного электрического сопротивления в скважинах, расположенных по направлению потока при запуске электропроводного вещества (соли) по потоку или красящего вещества.
Типы водозаборных сооружений. Для отбора воды используются специально оборудованные водозаборы, отдельные скважины и колодцы. Тип водозаборного сооружения определяется объемами потребления воды. Используются совершенные скважины и колодцы (проходят всю мощность водоносного горизонта), несовершенные скважины и колодцы с проницаемыми стенками и дном (проходят водоносный горизонт частично), несовершенные колодцы и скважины с проницаемым дном и непроницаемыми стенками, несовершенные колодцы и скважины с непроницаемым дном и проницаемыми стенками.
Расчеты притока воды в буровые скважины и колодцы осуществляются откачками. При откачках определяется основные параметры водоносного пласта: расход, скорости потока, коэффициент фильтрации. На основании полученных данных и с учетом геологического строения территории строится гидродинамическая схема и проводится расчет расходов. Пример расчета и основные параметры расчета описаны в задании 6 пособия.
3. Геокриология. Формирование мерзлых толщ космического тела (Земли). В основе формирования любой термодинамической системы лежит теплообмен. Внешние источники воздействия Q внеш.: лучистая энергия солнца; космическое излучение; излучение звезд; превращение гравитационной энергии в тепловую; энергия метеоритов.
Внутренние источники воздействия Q внут.: внутренняя энергия Земли (ядерные реакции); энергия, выделяющаяся при изменении гравитационного поля; энергия, выделяющаяся при изменении скорости вращения Земли; энергия экзотермических превращений при химических реакциях. Q внеш.> Q внут. в 104 раз.
Альбедо – величина отношения отраженной части энергии к полному количеству энергии, падающей на тело.
Понятие криосферы, распространение криосферы на Земном шаре.
Криосфера – участки земной поверхности, где горные породы имеют среднегодовую отрицательную или нулевую температуру. К криосфере относятся породы, содержащие лед и охлажденные породы, не содержащие льда, но характеризующиеся отрицательной среднегодовой температурой. Виды льда. Наземные льды6 снежный покров, снежники, льды водоемов, водотоков, ледниковые льды, наледи. Подземные: скопления льда мощностью 0,3-).5 м до нескольких десятков метров, ледяные включения. Сезонное промерзание и оттаивание - изменение температурного режима пород, которое приводит к формированию или оттаиванию льда в зимне-летний сезон. Определяется наклоном земной оси и соответственно углом падения солнечных лучей.
Особенности теплопередачи. В геокриологии теплопередача обычно рассматривается применительно к дисперсным породам. Формы передачи тепла: