Подземные воды и методы их анализа

Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное агентство по образованию

Сыктывкарский лесной институт - филиал

ГОУ ВПО «Санкт- Петербургская государственная академия им. С.М. Кирова»

Курсовая работа

по дисциплине: «Физика пласта»

Тема: «Подземные воды и методы их анализа»

2010



Содержание

Введение

1. Общая часть

1.1 Происхождение подземных вод

1.2 Классификация подземных вод и условия их залегания

1.3 Основные проблемы использования подземных вод

1.4 Состояние работ по подземным водам на территории России

2. Практическая часть

2.1 Движение воды в зонах аэрации и насыщения

2.2 Движение подземных вод в водоносных пластах. Определение скорости движения подземных вод

2.3 Установившееся и неустановившееся движение подземных вод. Методы моделирования фильтрации

2.4 Приток воды к водозаборным сооружениям

2.4.1 Приток безнапорных вод в горизонтальную дрену

2.4.2 Расчет притока грунтовых вод в скважину

2.4.3 Расчет притока напорных вод в совершенную дрену

2.4.4 Расчет притока артезианских вод в скважину

2.5 Методы определения коэффициента фильтрации горных пород

3. Гидрологические расчеты по притоку вод в горизонтальные водосборы по данным города Ялутоворска, Тюменской области

Заключение

Библиографический список

Введение

На сегодняшний день, одна из главных сфер федеральных интересов РФ обращена к подземным водам, которые имеют огромное значение по все местно. Развитие научно-технической базы человечества в этой области, осуществляется на основе достижений прогресса в области физики пласта. Однако, несмотря на высокое состояние геологии, многие вопросы требуют доработок. И одной из ведущей и актуальной проблемы на сегодняшний день является исследование подземных вод и методов их анализа. Ведь даже по данным, кандидата биологических наук, эколога Лукина В.А. на территории России на 2009 году разведано всего 3354 месторождений подземных вод, из них эксплуатируется лишь 49%. Эксплуатационные запасы разведанных месторождений составляют 29,5 км3/год. Степень их использования в среднем по России не превышает 33%. И, несмотря на наличии большого объема тематической литературы отмечается недостаточное количество полных и явных обследований вопроса. Что, несомненно, приводит не только к застаиванию использования природных ресурсов, но и финансовым тратам в России. Поэтому, основная научная значимость данной работы состоит в максимальном упорядочивании данных в существующей научно-методологической базе по данной теме - собственным авторским исследованием; а практическая часть отображается в работе по расчету притока подземных вод к водозаборам, так как именно этот раздел лежит в основе рационального использования возможностей человека при работе с подземными водами.

Теоретико-методологическую базу исследования составили четыре группы источников. К первой отнесены авторские издания по исследуемой проблеме. Ко второй отнесены учебная литература (учебники и учебные пособия, справочная и энциклопедическая литература, комментарии к законодательству). К третьей отнесены научные статьи в периодических журналах по исследуемой проблематике. И к четвертой - специализированные веб-сайты организаций.

При проведении исследования были использованы следующие методы исследования: анализ существующей базы по рассматриваемой проблематике (метод научного анализа), обобщение и синтез точек зрения, (метод научного синтеза и обобщения), моделирование на основе полученных данных авторского видения в раскрытии поставленной проблематики (метод моделирования). Будущие исследования также актуальны в целях постоянного и обоснованного решения проблемы данной работы. Результаты могут быть использованы для будущих исследований.

Главная цель работы: раскрыть положение вопроса о подземных водах и методах их анализа в России и странах зарубежья.

Поставленная цель определяет следующие задачи исследования:

1. Рассмотрение положения исследовательских работ по подземным водам в Европе;

2. Дать обзор проблем, возникающих в данной области.

3. Провести анализ методов расчета по динамики подземных вод;

4. Сделать практические расчеты по притоку вод в горизонтальные водосборы по данным города Ялутоворска, Тюменской области;

5. Обозначить тенденции развития тематики в будущем.



1. Общая часть

1.1 Происхождений подземных вод

подземный вода фильтрация горный порода

Все воды земной коры, находящиеся ниже поверхности Земли в горных породах в газообразном, жидком и твёрдом состояниях, называются подземными водами. Подземные воды составляют часть гидросферы - водной оболочки земного шара. Они встречаются, а буровых скважинах на глубине до нескольких километров. По данным В.И. Вернадского, подземные воды могут существовать до глубины 60 км в связи с тем, что молекулы воды даже при температуре 2000о С диссоциированы всего на 2%.

Приблизительные подсчёты запасов пресной воды в недрах Земли до глубины 16 километров дают величину 400 миллионов кубических километров, т.е. около 1/3 вод Мирового океана. Накопление знаний о подземных водах, начавшееся с древнейших времен, ускорилось с появлением городов и поливного земледелия.

В России первые научные представления о подземных водах как о природных растворах, их образовании путем инфильтрации атмосферных осадков и геологической деятельности подземных вод были высказаны М.В. Ломоносовым в сочинении «О слоях земных» (1763 г.).

До середины 19 века учение о подземных водах развивалось как составная часть геологии. Затем оно обособляется в отдельную дисциплину - гидрологию.

Общая гидрогеология изучает происхождение подземных вод, их физические и химические свойства, взаимодействие с вмещающими горными породами. Она также изучает динамику подземных вод под влиянием естественных и искусственных факторов, разрабатывает методы количественной оценки производительности эксплуатационных скважин и запасов подземных вод.

Учение о режиме и балансе подземных вод рассматривает изменения в подземных водах (их уровне, температуре, химическом составе, условиях питания и движения), которые происходят под воздействием различных природных факторов (атмосферных осадков, и условиях их инфильтрации, испарения, температуры и влажности воздуха и почвенного слоя, влияния режимов поверхностных водоемов, рек, техногенной деятельности человека).

Под влиянием солнечной энергии с поверхности Мирового океана испаряется в среднем около 450,0 тыс. км3 воды. Некоторая часть этой влаги в виде пара переносится воздушными течениями на материки. При определенных условиях водяные пары конденсируются и выпадают в виде дождя, снега, града и т.п. Выпавшие на сушу атмосферные осадки стекают по склонам местности, образуя ручьи и реки, которые несут свои воды вновь в Мировой океан. Часть выпавших осадков испаряется, часть просачивается в землю, образуя подземные воды, которые подземным стоком поступают в ручьи и реки и, таким образом, также возвращаются в океан. Этот замкнутый процесс обмена между атмосферой и земной поверхностью называется круговоротом воды в природе.

Подземные воды формируются в основном из вод атмосферных осадков, выпадающих на земную поверхность и просачивающихся вод (инфильтрующих) в землю на некоторую глубину, и из вод из болот, рек, озер и водохранилищ, также просачивающихся в землю. Количество влаги, прогоняемой таким образом в почву, составляет 15-20 % общего количества атмосферных осадков. Проникновение вод в грунты (водопроницаемость), слагающих земную кору, зависит от физических свойств этих грунтов. В отношении водопроницаемости грунты делятся на три основные группы: водопроницаемые, полупроницаемые и водонепроницаемые или водоупорные. К водопроницаемым породам относятся крупнообломочные породы, галечник, гравий, пески, трещиноватые породы и т.д. К водонепроницаемым породам - массивно- кристаллические породы (гранит, мрамор), имеющие минимальную впитывать в себя влагу, и глины. Последние, пропитавшись водой, в дальнейшем ее не пропускают. К породам полупроницаемым относятся глинистые пески, рыхлые песчаники, рыхловатые мергели и т.п.

Подземные воды в земной коре распределены в двух этажах. Нижний этаж, сложенный плотными магматическими и метаморфическими породами, содержит ограниченное количество воды. Основная масса воды находится в верхнем слое осадочных пород. В нем по характеру водообмена с поверхностными водами выделяют три зоны: зону свободного водообмена (верхнюю), зону замедленного водообмена (среднюю) и зону весьма замедленного водообмена (нижнюю). Воды верхней зоны обычно пресные и служат для питьевого, хозяйственного и технического водоснабжения. В средней зоне располагаются минеральные воды различного состава. Это - древние воды. В нижней зоне находятся высокоминерализованные рассолы. Из них добывают бром, иод и другие вещества. Подземные воды образуются различными способами. Один из основных способов образования подземной воды - просачивание, или инфильтрация, атмосферных осадков и поверхностных вод (озёр, рек, морей и т.д.). По этой теории, просачивающаяся вода доходит до водоупорного слоя и накапливается на нём, насыщая породы пористого и пористо - трещиноватого характера. Таким образом, возникают водоносные слои, или горизонты подземных вод. Поверхность грунтовых вод, называется зеркалом грунтовых вод. Расстояние от зеркала грунтовых вод до водоупорна называют мощностью водоупорного слоя. Количество воды, просочившийся в грунт, зависит не только от его физических свойств, но и от количества атмосферных осадков, наклона местности к горизонту, растительного покрова и др. При этом длительный моросящий дождь создает лучшие условия для просачивания, чем обильный ливень, так как чем интенсивнее осадки, тем с большей скоростью выпавшая вода стекает по поверхности почвы. Крутые склоны местности увеличивают поверхностный сток и уменьшают просачивание атмосферных осадков в грунт; пологие, наоборот, увеличивают их просачивание. Растительный покров (лес) увеличивает испарение выпавшей влаги и в то же время усиливает выпадение осадков. Задерживая поверхностный сток, он способствует просачиванию влаги в грунт. Для многих территорий земного шара инфильтрация является основным способом образования подземных вод. Однако имеется и другой путь их образования - за счёт конденсации водяных паров в горных породах. В тёплое время года упругость водяного пара в воздухе больше, чем в почвенном слое и нижележащих горных породах. Поэтому водяные пары атмосферы непрерывно поступают в почву и опускаются до слоя постоянных температур, расположенного на разных глубинах - от одного до нескольких десятков метров от поверхности земли. В этом слое движение паров воздуха прекращается в связи с увеличением упругости водяных паров при повышении температуры в глубине Земли. Вследствие этого возникает встречный поток водяных паров из глубины Земли вверх - к слою постоянных температур. А в зоне постоянных температур в результате столкновения двух потоков водяных паров происходит их конденсация с образованием подземной воды. Такая конденсационная вода имеет большое значение в пустынях, полупустынях и сухих степях. В знойные периоды года она является единственным источником влаги для растительности. Таким же способом возникли основные запасы подземной воды в горных районах Западной Сибири. Оба способа образования подземных вод - путём инфильтрации и за счёт конденсации водяных паров атмосферы в породах - главные пути накопления подземных вод. Инфильтрационные и конденсационные воды иногда называются вандозными водами (от лат. "vadare" - идти, двигаться). Эти воды образуются из влаги атмосферы и участвуют в общем круговороте воды в природе. Некоторые исследователи отмечают еще один способ образования подземных вод - ювениальные. Многие выходы этих вод в районах современной или недавней вулканической активности характеризуются повышенной температурой и значительной концентрацией солей и летучих компонентов. Для объяснения генезиса таких вод австрийский геолог Э. Зюсс в 1902 году выдвинул теорию ювенильного (от лат. "juvenilis" - девственный). Такие воды, как считал Зюсс, образовались из газообразных продуктов, в изобилии выделяющихся при вулканической активности и дифференциации магматической лавы. Более поздние исследования показали, что чистых ювенильных вод, как их понимал Э. Зюсс, в поверхностных частях Земли не существует. В природных условиях подземные воды, возникшие разными способами, смешиваются друг с другом, приобретая те или иные свойства. Однако определение генезиса подземных вод имеет большое значение: оно облегчает подсчёт запасов, выяснение режима и их качество. Уровень грунтовых вод подвержен постоянным колебаниям. Так, во время весеннего половодья и паводков уровень воды в реке, поднимаясь выше уровня речного потока, направленного к реке, вызывает отток воды из нее и подъем уровня грунтовых вод. Это снижает высоту уровня весенних половодий. На спаде грунтовые воды начинают питать реку, и уровень грунтовых вод понижается. Грунтовые воды могут образовываться за счет искусственных гидротехнических сооружений, например таких, как оросительные каналы. Так, при строительстве Каракумской оросительной системы за счет переброса части стока сибирских рек, в пустынной части значительное количество воды уходило не столько на поливные нужды, сколько на испарение и в грунт. Произошло это вследствие того, что большая часть оросительной системы проходила по песчаным почвам, где коэффициент фильтрации достаточно высок, и, несмотря на противофильтрационные меры, падения уровней воды за счет фильтрации воды в грунт были велики. Все это, помимо уменьшения стока рек, приводило к тому, что содержащиеся в грунте соли растворялись грунтовыми водами, и при движении подводных потоков обратно в канал происходило его засоление и загрязнение илом.



1.2 Классификация подземных вод и условия их залегания

По условиям движения в водоносных слоях различают подземные воды, циркулирующие в рыхлых (песчаных, гравийных и галечниковых) слоях и в трещиноватых скальных породах.

Подземные воды, перемещающиеся под влиянием силы тяжести, называются гравитационными, или свободными, в отличие от вод, связанных, удерживаемых молекулярными силами, -- гигроскопических, плёночных, капиллярных и кристаллизационных.

Породы, слагающие земную кору, только в немногих и то сомнительных случаях бывают абсолютно плотными. В них находится много свободных промежутков, называемых пустотами, и эти пустоты являются вместилищами подземных вод, которые частично выходят на поверхность в виде источников или вскрываются колодцами. Существует много видов горных пород, и они сильно различаются между собой по размерам, форме и расположению заключающихся в них пустота, а отсюда и по своей водоносности. Нахождение воды в породах того или иного участка земной коры определяется, следовательно, характером, распределением и структурой слагающих его пород -- другими словами, геологией этого участка. Большинство пород имеет многочисленные пустоты очень малых размеров, для некоторых же характерно небольшое количество крупных пустот -- таких, как трещины или каверны. Пустоты в породах большей частью сообщаются между собой, так что вода может двигаться по породам, проникая из одной пустоты в другую; но в некоторых породах пустоты в значительной степени разобщены, что создает неблагоприятные условия для циркуляции воды. Обычно пустоты имеют неправильную форму, причем для разных пород характерны различные типы неправильностей пустот. Различия в породах, отражающиеся на характере пустот, обусловливаются различным минералогическим составом пород - и огромным разнообразием геологических процессов, связанных с образованием и позднейшими изменениями горных пород.

В зависимости от характера пустот водовмещающих пород подземные воды делятся на: поровые - в песках, галечниках и др. обломочных породах; трещинные (жильные) - в скальных породах (гранитах, песчаниках); карстовые (трещинно-карстовые) - в растворимых породах (известняках, доломитах, гипсах и др.).

По условиям залегания выделяют три типа подземных вод: верховодку, грунтовые и напорные, или артезианские.

Верховодкой называются подземные воды, залегающие вблизи поверхности земли и отличающиеся непостоянством распространения. Обычно верховодка приурочена к линзам водоупорных или слабопроницаемых горных пород, перекрываемых водопроницаемыми толщами.

Верховодка относится к первому от поверхности земли водоупорному пласту. В тех случаях, когда водоупорный пласт залегает вблизи поверхности или выходит на поверхность, в дождливые сезоны развивается заболачивание. К верховодке нередко относят почвенные воды, или воды почвенного слоя.

Грунтовыми называются воды, залегающие на первом водоупорном горизонте ниже верховодки. Обычно они относятся к водонепроницаемому пласту и характеризуются более или менее постоянным притоком воды. Грунтовые воды могут накапливаться как в рыхлых пористых породах, так и в твёрдых трещиноватых коллекторах. Уровень грунтовых вод представляет собой неровную поверхность: на возвышенностях он ниже, в пониженных местах - выше. Грунтовые воды перемещаются в сторону понижения рельефа. Уровень грунтовых вод подвержен постоянным колебаниям - на него влияют различные факторы: количество и качество выпадающих осадков, климат, рельеф, наличие растительного покрова, хозяйственная деятельность человека и многое другое.

Напорными называют такие воды, которые находятся в водоносном слое, заключенном между водоупорными слоями, и испытывают гидростатическое давление, обусловленное разностью уровней в месте питания и выхода воды на поверхность. Область питания у артезианских вод обычно лежит выше области стока воды и выше выхода напорных вод на поверхность Земли. Размеры артезианских бассейнов бывают весьма значительными - до сотен и даже тысячи километров. Области питания таких бассейнов зачастую значительно удалены от мест извлечения воды. Так, воду, выпавшую в виде осадков на территории Германии и Польши, получают в артезианских скважинах, пробуренных в Москве; в некоторых оазисах Сахары получают воду, выпавшую в виде осадков над Европой. Артезианские воды характеризуются постоянством воды и хорошим качеством, что немаловажно для её практического использования.

Инфильтрационные воды образуются благодаря просачиванию с поверхности Земли дождевых, талых и речных вод. По составу они преимущественно гидрокарбонатно-кальциевые и магниевые. При выщелачивании гипсоносных пород формируются сульфатно-кальциевые, а при растворении соленосных - хлоридно-натриевые воды. Конденсационные подземные воды образуются в результате конденсации водяных паров в порах или трещинах пород. Седиментационные воды формируются в процессе геологического осадкообразования и обычно представляют собой измененные захороненные воды морского происхождения. К ним же относятся погребённые рассолы солеродных бассейнов, а также ультрапресные воды песчаных линз в моренных отложениях.Воды, образующиеся из магмы при её кристаллизации и вулканическом метаморфизме горных пород, называются магматогенными, или ювенильными (по терминологии Э. Зюсса).



1.3 Основные проблемы использования подземных вод

В силу своего местонахождения подземные воды лучше защищены от внешних воздействий, чем поверхностные, однако имеются серьёзные симптомы неблагоприятного изменения режима подземных вод на больших площадях и в широком диапазоне глубин. К ним относятся: истощение и понижение уровня подземных вод из-за чрезмерного отбора; внедрение на побережье морских солёных вод; образование депрессионных воронок и другие. Большую опасность представляет загрязнение подземных вод. При создании водохранилищ в результате подпора происходит повышение уровня грунтовых вод. Положительным следствием такого изменения режима является увеличение их ресурсов в прибрежной зоне водохранилища; отрицательными - подтопление прибрежной зоны, что вызывает заболачивание территории, а так же засоление почв и грунтовых вод вследствие повышенного их испарения при неглубоком залегании. Ввиду небольших паводковых явлений (или вообще их отсутствия) на зарегулированных реках поводочное питание подземных вод значительно уменьшено. Скорости течения на таких реках снижаются, что способствует заилению русла; поэтому взаимосвязь речных и подземных вод затруднена. В определённых условиях отбор подземных вод может оказать существенное влияние на качество поверхностных вод. В первую очередь это относится к промышленной эксплуатации и сбросу минерализованных вод, сбросу шахтных и попутных нефтяных вод. Поэтому должно предусматриваться комплексное использование и регулирование ресурсов поверхностных и подземных вод. Примерами такого подхода могут служить использование подземных вод для орошения в маловодные годы, а так же искусственное восполнение запасов подземных вод и сооружение подземных водохранилищ.



Общими причинами слабого освоения ресурсов являются:

отсутствие единой программы научно-исследовательских, опытно-конструкторских и экспериментальных работ, направленных на разработку высокоэффективных методов, технологий и технических средств эксплуатации месторождений подземных вод и их эффективного практического использования. Анализ состояния их ресурсной базы как источника питьевого водоснабжения населения и технологического обеспечения водой объектов промышленности позволяет сделать следующие выводы.

Созданная ранее ресурсная база подземных вод в связи с изменившейся политической и экономической обстановкой в стране не отражает реальных возможностей перевода водоснабжения населенных пунктов и городов и, в первую очередь, крупных городов на защищенные подземные источники.

В связи с этим в ряде регионов необходима переоценка общего ресурсного потенциала подземных вод и их прогнозных ресурсов. При этом требует решения вопрос об апробации и официальном учете прогнозных ресурсов.

Одновременно необходимо выполнить работы по оценке состояния и возможности освоения месторождений нераспределенного фонда, переоценке запасов месторождений и снятию с государственного баланса запасов месторождений, освоение которых по каким-либо причинам будет признано невозможным. Результаты таких работ послужат основанием для обоснования и корректировки стратегических и ежегодных программ геологоразведочных работ на подземные воды и прогноза развития минерально-сырьевой базы подземных вод страны.

Необходима разработка и реализация мер по приведению в соответствие с действующим законодательством Российской Федерации отбора подземных вод на участках недр, не имеющих запасов, прошедших государственную экспертизу и включенных в государственный учет (в количестве 15 млн. куб.м/сут.).

Для реализации закона «О недрах» необходима разработка нормативно-правовых документов, обеспечивающих резервирование источников питьевого водоснабжения, в том числе земель, на которых расположены резервные месторождения подземных вод, и выделение участков недр местного значения для геологического изучения методов анализа и добычи подземных вод.

Несмотря на неполное освоение разведанных ранее запасов подземных вод, для реального обеспечения водой населения и объектов промышленности требуется планомерное проведение геологоразведочных работ для создания ресурсной базы защищенных подземных источников крупных городов и других населенных пунктов.

1.4 Состояние подземные воды на территории России и странах зарубежья

Начало формы

Подземные воды по их качеству и назначению подразделяются на питьевые и технические (пресные и слабосолоноватые), минеральные (лечебные), промышленные (содержащие извлекаемые концентрации полезных компонентов) и теплоэнергетические. В федеральных интересах находятся в основном питьевые и минеральные воды; удовлетворение текущих и перспективных потребностей населения России их качественными запасами имеет огромное значение, как для социальной стабильности, так и для поддержания здоровья нации.

Основная ресурсная база всех типов подземных вод (пресных питьевых и технических, минеральных, теплоэнергетических и промышленных) была создана благодаря широкомасштабным геологоразведочным работам, выполненным за счёт госбюджетных средств до начала 1990-х годов.

Государственным Центром “Геомониторинг” в России на 1.01.2009 г. учтены прогнозные ресурсы подземных вод в количестве 769,1 млн. куб.м/сут. (387,2 куб.км/год). Основная часть ресурсов (77,2%) сосредоточена в четырёх федеральных округах: Северо-Западном, Уральском, Сибирском и Дальневосточном, причём наибольшее количество - в Сибирском (28,9%).

Большая часть Восточной Сибири и Дальнего Востока находится в зоне практически сплошного распространения многолетнемерзлых пород, мощность которых достигает нескольких сотен метров. В этих районах прогнозные ресурсы пресных и слабосолоноватых подземных вод могут концентрироваться только в таликовых зонах современных и погребенных долин, в которых в меженные периоды происходит сработка емкостных запасов подземных вод с последующим их восполнением в паводок. При этом могут формироваться достаточно крупные месторождения, такие, например, как Талнахское и Егорлахское, используемые для водоснабжения г. Норильск. В ряде субъектов Российской Федерации существенную часть прогнозных ресурсов представляют береговые (инфильтрационные) воды. Например, в Астраханской области на береговые водозаборы приходится 80%, а в Карачаево-Черкесии - 98% прогнозных ресурсов. Подавляющая часть (более 95%) запасов подземных вод - это воды для питьевого водоснабжения населения. Около 5% приходится на запасы, предназначенные для технологического обеспечения объектов промышленности или орошения земель. Преобладающая часть запасов подземных вод разведана в Центральном, Приволжском и Сибирском федеральном округах, на долю которых приходится более 65% суммарных эксплуатационных запасов. Максимальным количеством запасов подземных вод располагают такие субъекты Российской Федерации, как г. Москва и Московская область, Краснодарский край, Самарская и Нижегородская области, Республика Башкортостан, Красноярский край, Иркутская, Оренбургская области, Тюменская область, Владимирская область, Ставропольский край, Читинская, Кемеровская, Новосибирская и Воронежская области, Республика Северная Осетия-Алания, Волгоградская область. Суммарные запасы перечисленных субъектов федерации составляют более 50% российских. Реальный годовой прирост вновь разведанных запасов оценивается в 1-1,2 млн куб.м/сут. Однако в связи со списанием с баланса части ранее разведанных запасов фактический прирост запасов подземных вод оказывается несколько меньше. В 2007 г. геологоразведочные работы (ГРР) на подземные воды выполнялись за счет средств федерального бюджета на 117 объектах, на 47 из них работы были завершены, в том числе ГРР для обеспечения водоснабжения городов Тула, Петрозаводск, Вологда, Великий Новгород, Астрахань, Ставрополь, Дербент, Избербаш (Республика Дагестан) и др., а также ряда населенных пунктов районного масштаба.

Рис.1 Динамика запасов, добычи и использования подземных вод в 1997-2007 гг., млн. куб.м/сут

За последнее десятилетие тенденция к уменьшению добычи подземных вод сохраняется во всех федеральных округах. Степень освоения запасов (отношение добычи подземных вод к запасам) в России остаётся на уровне 33%. Из общего количества добываемых подземных вод потребляется в среднем 82%; без использования сбрасывается 18% добытой воды. За последние десять лет это соотношение практически не изменилось. Общее количество использованной воды продолжает уменьшаться в среднем на 1-1,2 млн. куб.м/сут ежегодно.

Современное состояние использования подземных вод свидетельствует о необходимости усилить контроль работ в геологическом масштабе над в данной области, на основе обязательного мониторинга, исследования динамики на всех объектах, где возможно негативное воздействие на подземные воды.

Следует отметить, что в 2008 году были учтены запасы только по 41 месторождению, так как по ряду месторождений государственная экспертиза еще не проводилась.

В то же время на территории некоторых субъектов РФ нет участков недр, содержащих минеральные воды, степень подготовленности которых была бы достаточна для привлечения инвесторов для их геологического изучения и добычи. В условиях ограниченного финансирования работ по воспроизводству ресурсной базы минеральных вод основной задачей следует считать повышение эффективности государственного управления в области использования и охраны этой базы, особенно в регионах интенсивной добычи подземных вод.

Рис. 2.Соотношение различных типов минеральных подземных вод России, %

Ресурсная база теплоэнергетических подземных вод в основном была создана до начала 90-х годов за счет средств федерального бюджета. В 1999-2005 гг. работы, финансируемые из федерального бюджета, проводились только на Камчатке и на островах Кунашир и Парамушир; кроме того, осуществлялись ремонт и ликвидация ранее пробуренных разведочных геотермальных скважин на о. Итуруп и на Камчатке. На территории России термальные воды, пригодные для выработки тепловой и электрической энергии, имеются преимущественно на Северном Кавказе, в Западной Сибири и в Дальневосточном федеральном округе. Общие прогнозные ресурсы термальных вод и парогидротерм (с температурой от 40° до 200° С) по перспективным регионам их распространения при фонтанном способе эксплуатации оценены в 1,16 млн. куб.м/сут (теплоэнергетический потенциал - 23,3 млн. Гкал/год), при насосном - 19,0 млн. куб.м/сут (229,8 млн Гкал/год), а также в 1000 МВт установленной мощности ГеоЭс. В настоящее время разведана незначительная часть прогнозных ресурсов термальных вод и парогидротерм. В Государственном балансе полезных ископаемых по состоянию на 1.01.2009 г. учитывается 63 месторождения термальных вод с запасами категорий АВС1, составляющими 303,768 тыс.куб.м/сут. Низкий уровень использования разведанных запасов термальных вод обусловлен невысокими тарифами на природный газ. Невостребованность месторождений теплоэнергетических вод, находящихся в нераспределенном фонде недр, частично связана с нестабильной политической обстановкой; в Чеченской республике часть месторождений выведена из строя военными действиями.

Рис. 3 Количество месторождений и эксплуатационных запасов термальных вод в федеральных округах России

2. Практическая часть

2.1 Движение воды в зонах аэрации и насыщения

В зоне аэрации, т. е. в толще пород, расположенной между дневной поверхностью и зеркалом грунтовых вод, находятся: водяной пар, заполняющий поры породы; гигроскопическая влага, обусловливающая гигроскопическую влажность пород; пленочная вода, обволакивающая зерна пород в виде пленок различной толщины, и капиллярная вода, располагающаяся в виде капиллярной каймы над зеркалом грунтовых вод.

Движение подземных вод в зоне аэрации может происходить в виде передвижения пара, в виде пленочного движения, свободного просачивания и капиллярного движения.

Движение парообразной и гигроскопической влаги. А. Ф. Лебедевым было экспериментально доказано, что влага в парообразном состоянии передвигается от участка с большей упругостью водяного пара к участку с меньшей его упругостью. Упругость же зависит от температуры и влажности пород. Таким образом, если между различными участками горных пород появляется разница в температуре или влажности, возникает движение водяных паров. При одинаковой температуре движение направлено от более влажных частиц к менее влажным; при одинаковой влажности -- от более к менее нагретым. Поэтому летом парообразная влага движется сверху вниз, а зимой -- снизу вверх. Гигроскопическая влага также передвигается в порах пород в виде водяного пара.

Движение воды в пленочном состоянии. По А. Ф. Лебедеву, движение воды в пленочном состоянии происходит под действием молекулярных сил и не подчиняется влиянию силы тяжести.

Рассмотрим движение пленочной воды на примере. Допустим, что мы имеем две одинаковые по диаметру частицы породы, соприкасающиеся между собой. Частица с центром О1 покрыта пленкой воды толщиной Р1, а вторая частица -- более тонкой пленкой, толщиной Р2. Рассмотрим влияние частиц породы на частицу воды, расположенную в точке С. Легко убедиться, что расстояние О1С=R+P1 и оно больше, чем О2С=R+P2 т. е. частица 2 будет оказывать большее притяжение на частицу воды в точке С, чем частица породы с центром О1, В результате частица воды С перейдет на пленку, обволакивающую частицу породы 2. Движение частиц воды происходит до тех пор, пока толщина пленок на обеих частицах породы станет одинаковой.

Движение воды в виде просачивания. Просачивание в породах может происходить в виде отдельных струек и в виде сплошной массы воды. В первом случае отдельные струйки воды движутся самостоятельно, разрозненно. Вначале происходит смачивание частиц грунта, после чего под действием сил тяжести избыточная вода в виде гравитационной просачивается вниз. Такой вид движения Г.Н. Каменский назвал свободным просачиванием. Второй вид движения наблюдается в случае, если породы насыщены водой полностью. Движение воды здесь происходит сверху вниз под действием силы тяжести. Этот вид движения влаги назван инфильтрацией. Капиллярное движение имеет место как в верхней части зоны аэрации при просачивании и инфильтрации, так и над зеркалом грунтовых вод (в капиллярной зоне). В первом случае капиллярное движение происходит сверху вниз (капиллярное всасывание), во втором -- снизу вверх (капиллярное поднятие).

В породах, насыщенных водой, т. е. в зоне насыщения, движение воды может происходить в двух формах: ламинарного, при котором струйки воды текут параллельно, без перемешивания и турбулентного, при котором происходит хаотическое движение частиц жидкости и интенсивное перемешивание ее слоев. Чтобы установить закономерности движения жидкости в породах, французский ученый X. Дарси в 1856 г. поставил несложный опыт, который заключался в следующем. В цилиндр, наполненный песком, наливали слой воды, поддерживая ее уровень постоянным. Вода после просачивания через песок выливалась через кран в нижней части цилиндра. В цилиндр были вставлены изогнутые трубки, так называемые пьезометры. Вода в них устанавливалась на различных уровнях (в верхнем пьезометре -- выше) в связи с тем, что в процессе фильтрации через поры грунта вода преодолевала сопротивление и на это терялась часть напора.

В результате проведенных исследований Дарси установил, что количество воды, профильтровавшейся через песок в единицу времени (расход, О), прямо пропорционально разности уровней воды в пьезометрических трубках (?Н=Н2--Н1), площади поперечного сечения цилиндра (F) и некоторому коэффициенту пропорциональности (К) и обратно пропорционально высоте слоя песка (I). Оказалось, что коэффициент К зависит от свойств песка и его стали называть коэффициентом фильтрации (Кф). Эта зависимость получила название закона Дарен и обычно записывается в следующем виде (1):

(1)

Выражение обозначают буквой / и называют напорным, градиентом или гидравлическим уклоном. Тогда можно записать

(2)

Если разделить обе части уравнения на F, то получим скорость фильтрации (х) (2):

(3)



Таким образом, скорость фильтрации прямо пропорциональна коэффициенту фильтрации и напорному градиенту. Формула (3) представляет собой уравнение прямой линии, в связи с чем закон Дарси называют линейным законом фильтрации.

Если в выражении (3) принять I=1, что имеет место при уклоне, равном 45°, получим

(4)

т. е. коэффициент фильтрации -- это та скорость просачивания, которую имел бы поток при уклоне, равном единице. Не следует при этом смешивать скорость фильтрации со скоростью движения частиц воды. Дело в том, что Дарси при расчетах принимал площадь поперечного сечения потока (F) равной сечению цилиндра, тогда как в действительности вода передвигалась в породе только по порам. Чтобы получить действительную скорость (и) движения подземных вод в порах грунта, необходимо расход воды разделить на площадь поперечного сечения и пористость грунта (n).

(5)

Так как

то (6)

Это выражение показывает, что действительная скорость движения подземных вод больше скорости фильтрации, так как величина пористости всегда меньше единицы. Необходимо заметить, что коэффициент фильтрации выражают в м/сут, хотя в некоторых случаях применяют см/с и км/год. Если движение подземных вод происходит в крупных пустотах горных пород, то оно становится турбулентным и подчиняется нелинейному закону фильтрации, который выражается уравнением Шези -- Краснопольского

(7):

Таким образом, скорость фильтрации при турбулентном движении пропорциональна коэффициенту фильтрации и напорному градиенту в степени Ѕ.

2.2 Движение подземных вод в водоносных пластах. Определение скорости движения подземных вод

Для определения направления движения подземных вод используют карты гидроизогипс, на которых в виде изолиний показан «рельеф» зеркала грунтовых вод. Перпендикуляры к гидроизогипсам, направленные в сторону снижения отметок, называются линиями тока, показывающими направление движения грунтовых вод. По взаимному расположению гидроизогипс и линий тока потоки грунтовых вод разделяют на плоские и радиальные В плоском потоке гидроизогипсы в плане имеют вид параллельных прямых и линии тока при пересечении с ними образуют сеть прямоугольников. Плоский поток может иметь место в междуречьях; между рекой и дреной, текущими параллельно; в случае дренирования грунтовых вод горизонтальными выработками (канавами, штольнями).

В радиальном потоке гидроизогипсы представляют собой систему кривых линий, а линии тока имеют вид радиусов. Наиболее наглядным примером радиального потока может быть приток воды в колодец или скважину во время интенсивного водоотбора. Радиальный поток может быть расходящимся (например, возле излучины реки) и сходящимся (к водозабору). При расходящемся потоке ширина его по направлению движения увеличивается, а при сходящемся, наоборот, уменьшается.

Скорость движения подземных вод можно определить несколькими способами. Один из них основан на введении в воду поваренной соли. На некотором расстоянии от опытной скважины (шурфа или колодца) проходят наблюдательную скважину, которую закладывают ниже по направлению движения подземных вод. Перед началом опыта определяют содержание хлора в опытной и наблюдательной выработках. Затем в опытную выработку вводят раствор поваренной соли, в котором концентрация ионов хлора в 2000 раз выше, чем в подземных водах. Естественно, время ввода соли (t1) необходимо отметить. Через каждые 10 мин из наблюдательной скважины отбирают пробы воды и при помощи азотнокислого серебра определяют содержание хлора. Данные анализов наносят на график и находят время прохождения пика (t2). Действительная скорость

(8)

Где l - расстояние между выработками, м. Этот способ очень удобен, но применение его невозможно при естественном содержании хлора в воде свыше 500--600 мг/л и при резких неровностях водоупорного слоя. В первом случае анализами трудно определить изменения содержания хлора, во втором -- более тяжелый, чем вода, раствор поваренной соли может задержаться в понижениях водоупора. Можно также применять органические красители, присутствие которых в воде обнаруживается при ничтожно малых концентрациях (до 10-6 %). Для этого применяют флуоресцеин, имеющий при слабых концентрациях зеленовато-желтый цвет, метиленовый синий краситель и др. Для определения содержания красителя в воде используют флюороскоп -- набор стеклянных трубок с разной концентрацией красителя. Сравнивая цвет воды в отобранных пробах с цветом трубок-эталонов, легко и быстро можно определить содержание красителя в пробе воды. Затем строят график изменения во времени содержания красителя в воде и аналогично вышеописанному способу определяют скорость движения подземных вод.

Скорость движения подземных вод можно определять и электролитическим способом. Новейшие достижения физики и химии позволяют использовать «меченные атомы» -- изотопные индикаторы. Высокая чувствительность и простота радиоактивных измерений позволяют фиксировать минимальное количество изотопов в подземных водах.

2.3 Установившееся и неустановившееся движение подземных вод. Методы моделирования фильтрации

Установившимся считается движение подземных вод, при котором уровни и все другие элементы водного потока являются постоянными во времени. Если же уровни воды в одних и тех же точках изменяются во времени, то такое движение называется неустановившимся.

Большинство расчетных формул по динамике подземных вод основано на допущении, что условия питания и дренирования подземных вод постоянны. В действительности эти условия могут изменяться в зависимости от естественных или искусственных причин.

Если водоносный пласт на всем своем протяжении имеет одинаковый литологический состав, то он называется однородным. Если же литологический состав водоносного пласта изменяется в горизонтальном или в вертикальном направлении (что встречается в природе гораздо чаще), то водоносный пласт называется неоднородным.

Для моделирования фильтрации в основном используются гидравлическая и электрическая аналогии, реализуемые на сплошных и сеточных моделях. В развитии методов моделирования фильтрации подземных вод основная роль принадлежит сплошным и сеточным электрическим моделям, основанным на использовании метода электрогидродинамических аналогий (ЭГДА), сущность которого наглядно представляется сопоставлением основных законов движения фильтрационного потока и электрического тока: закон Дарси и закон Ома

и (9)

где Q - расход; F - площадь поперечного сечения потока; Н - напор; х - расстояние; I- сила тока; с - удельная проводимость,

р - удельное сопротивление; площадь поперечного сечения проводника; U -- электрический потенциал, l -- длина проводника.

Приведенная формула закона Ома получена путем несложных преобразований

; (10)

где R -- сопротивление. Идентичность записи законов Дарси и Ома очевидна. В них соответствуют физические характеристики -- коэффициент фильтрации Кф и удельная проводимость с (физическое подобие), силовые характеристики -- напор Н и потенциал U(динамическое подобие) и, наконец, расход потока Q и сила тока (кинематическое подобие). На сплошных моделях ЭГДА фильтрационный поток моделируется сплошным электрическим полем, геометрически подобным. Для этого применяются электропроводная бумага и электролиты. Электропроводная бумага изготавливается с удельным сопротивлением от 100 до 100 000 Ом/см, в зависимости от количества содержащихся в ней сажи и графита. Участки поля с различной проницаемостью пород моделируются кусками бумаги различной удельной проводимости. Между собой участки модели скрепляются специальным электропроводным клеем. Электролиты также широко используются в качестве материала модели и обычно представляют собой растворы солей, причем наибольшее распространение получили водные растворы поваренной соли и медного купороса. Кроме того, можно использовать электропроводные краски, клеи, электропроводный картон, гипс и т. д.

Определение приведенного потенциала на моделях ЭГДА производится с помощью мостовой измерительной схемы. При составлении сеточных моделей поток разбивается на отдельные блоки, центры которых связываются электрическими резисторами. В таких моделях геометрическое подобие модели и объекта не сохраняется.

2.4 Приток воды к водозаборным сооружениям

Среди водозаборных сооружений мы будем рассматривать такие горные выработки, как дрены (канавы) и скважины. В гидрогеологии горные выработки разделяют на совершенные и несовершенные. Гидродинамически совершенной называется горная выработка, вскрывающая водоносный горизонт от кровли до подошвы. Приток воды к ней происходит по всей поверхности соприкосновения стенок выработки с водоносным горизонтом . Если же выработка не доходит до водоупора, она называется несовершенной по степени вскрытия водоносного горизонта. Основные уравнения притока воды к водозаборам (скважинам и дренам) будем выводить при условии совершенства выработок.

Представим себе плоский поток грунтовых вод. Гидравлический градиент I в данном случае равен



(11)

где х -- расстояние между сечениями h1 и h2

Если мы будем сближать сечения h1 и h2 так, чтобы расстояние между ними стало равно нулю, то получим уклон (гидравлический градиент) в точке а, который равен тангенсу угла наклона зеркала грунтовых вод или первой производной

(12)

Подставив полученное выражение гидравлического уклона в выражение закона Дарси (21), получим для безнапорных вод

(13), для напорных вод (14)

где H --напор, отсчитываемый от подошвы водоносного пласта до его пьезометрического уровня.

2.4.1 Приток безнапорных вод в совершенную горизонтальную дрену

После устройства дрены скорость движения воды в ней увеличивается и уровень воды понижается на величину S, которую в гидрогеологии принято называть величиной понижения. Иными словами, величина понижения представляет собой разницу между статическим и динамическим уровнями. Мощность водоносного горизонта до понижения обозначим через H, глубину воды в дрене -- через ho. В результате понижения уровня в дрене в водоносном горизонте образуется депрессионная воронка, показанная на рис. 50 сплошной жирной линией. Расстояние R, на которое сказывается влияние понижения, называют радиусом влияния.

Для расчета притока воды в дрену Q выбираем на расстоянии х от стенки дрены сечение с напором к, которое находится в интервале от нуля до R. В общем виде приток воды в дрену будет равен выражению (13). Подставим сюда величину площади фильтрации

(15)

где В -- длина дрены. Получим

(16)

При расчете притока воды в дрену удобно пользоваться понятием единичного притока д, т. е. притока воды на единицу длины дрены

(17)

Отсюда элементарная формула для расчета притока воды

(18)

Разделим переменные в выражении (18), т. е. умножим обе его части на dх и проинтегрируем



(19)

В результате получим

(20)

(21)

(22)

Формула (22) выражает величину единичного притока с одной стороны дрены. Для получения полного притока воды в дрену необходимо умножить единичный приток на два, а затем -- на длину дрены. Приток воды в торцы дрены обычно не учитывают, так как он при большой длине дрены составляет ничтожную долю. По формуле (22) можно рассчитать расход плоского грунтового потока. Подставив вместо радиуса влияния расстояние между сечениями, равное I, получим

(23)

Выражение можно записать так

(24)



т. е. единичный расход равен

(25) ,

а полный расход составит

(26)

Исследуя выражение (22), мы сможем решить одну из весьма важных задач в гидрогеологических расчетах - вывести уравнение депрессионной кривой. Построение депрессионной кривой необходимо при возникновении угрозы затопления подземными водами котлованов, подвалов зданий и т. п.. Изменив пределы интегрирования в выражении (20) по X от 0 до х, а по У от h0 до h К получим

(27)

Естественно, что приток воды в выражениях (22) и (27) одинаков, т. е.

(28)

Решаем (28) относительно h

(29)

Для построения депрессионной кривой мы задаемся величиной hо в зависимости от 5, мощность водоносного горизонта H легко получить по данным бурения, величину радиуса влияния можно найти по эмпирическим формулам (об этом мы поговорим позже).

На миллиметровой бумаге строим разрез через дрену и котлован (рис. 52) и, задаваясь разными значениями х(хи x2,..., хп), например 10, 20, 30 и т. д. метров, получаем величины h(h, h2,..., hп). Соединив полученные точки плавной линией, получим кривую депрессии. Если она проходит через котлован, строят новую кривую, задавшись большей величиной понижения и, естественно, меньшим значением глубины воды в дрене. Построение производят до тех пор, пока депрессионная кривая не опустится ниже дна котлована.

2.4.2 Расчет притока грунтовых вод в скважину

Здесь мы имеем дело не с плоским потоком, как в предыдущем примере, а с радиальным. На рис. 10 показаны все обозначения, которые нам ясны из предыдущей задачи, кроме г -- радиуса скважины.

Расчет начинаем с уравнения (13). Площадь притока воды равна площади боковой поверхности цилиндра, радиус которого равен х, т. е.

(30)

(31)

Разделяем переменные (т. е. умножаем обе части уравнения на ) и интегрируем

(32)



Интегрирование по х производим не от нуля, а от r -- стенки скважины, в результате получаем формулу Дюпюи

(33)

(34)

В таком виде использовать выражение (2) не совсем удобно, так как в нем присутствует натуральный логарифм. Подставим вместо него десятичный (1nх = 2,30 lgх), а вместо л его значение и получим более удобное выражение для расчета притока безнапорных вод в скважину:

(35)

Выражение можно видоизменить:

(36)

И, подставив его в зависимость (34), получим

(37)

Для построения депрессионной кривой возвращаемся к (35) и изменяем пределы интегрирования: по X от r до х а по Y от h0 до h:



(38)

(39)

(40)

Решаем равенство относительно h и получаем уравнение кривой депрессии

(41)

2.4.3 Расчет притока напорных вод в совершенную дрену

Площадь фильтрации в сечении h, расположенном на расстоянии х от стенки дрены, будет равна

42)

Мы здесь снова не учитываем приток воды через торцы дрены. Подставляем площадь в (43):

(43)



Переходим к единичному расходу

(44)

Разделяя переменные и интегрируя, получим

(45)

(46)

(47)

Выражение (47) представляет собой единичный приток артезианских вод в один из бортов канавы. Полный приток составит

(48)

Если нам необходимо получить уравнение депрессионной кривой, то (43) нужно проинтегрировать по Х от 0 до ж, а по Y от hо до h:

(49)

(50)

(51)



Решаем уравнение (51) относительно h:

(52)

Анализируя выражение (52), мы видим, что это уравнение прямой линии. На самом деле депрессионная кривая криволинейна.

2.4.4 Расчет притока артезианских вод в скважину

В выражение (14) подставляем величину площади фильтрации, которая равна

(53)

(54)

Разделяя переменные и интегрируя по X от r до Н, а по Y от hо до Н, получим

(55)

(56)

(57)

Переведем натуральный логарифм в десятичный и подставим значение я. Получим выражение для расчета притока артезианских вод в совершенную скважину:



(58)

Для расчета кривой депрессии возвратимся к (55) и сменим пределы интегрирования: по X от r до х,а по Y от hо до h:

(59)

Выражения (57) и (59) равны: