1.
Види води в гірських породах
Стан та властивості води у гірських породах вперше детально вивчив А.Ф. Лебедєв. Він виділив тут 5 видів води: пароподібна, гігроскопічна, плівкова, гравітаційна, тверда. Пізніше ідеї Лебедєва А.Ф. розвили Преклонський В.А., Роде та інші. Згідно з останніми уявленнями виділяються наступні види води у гірських породах: пароподібна, фізично-зв’язана, капілярна, вільна (гравітаційна), тверда, хімічно-зв’язана.
Пароподібна вода заповнює разом із повітрям заповнює порожнини гірських порід, що не зайняті рідкою водою. Ця вода дуже рухлива. Переміщується у всіх напрямках від місць з меншою пружністю водяної пари, в місця де вона більша. Пара проникає в гірські породи з атмосфери або при випаровуванні ґрунтових вод. З охолодженням гірських порід до точки роси пароподібна вода конденсується. Безпосередньої участі у живленні рослин пароподібна вода приймати не може.
Фізично-зв’язана вода утримується на поверхні частинок гірських порід електромолекулярними силами, які набагато перевищують сили тяжіння. Рухливість цієї води, набагато менше вільної (гравітаційної). За деякими фізичними показниками фізично зв’язана вода підрозділяється на міцно зв’язану (гігроскопічну) та рихло зв’язану (плівкову). Міцно зв’язана вода утворюється шляхом адсорбції молекул води з водяної пари, чи з рідкої води. Ця вода покриває частини породи тонкою плівкою яка міцно утримується електромолекулярними силами до 109 Па і вилучається тільки шляхом тривалого прогрівання при температурі 105–110Со
.
Дерягін, Нерпін, Сергєєв виділяють 2 шара міцно зв’язаної води. Шар, що безпосередньо прилягає до частин (гігроскопічний) спостерігається при вологості порід, яка дорівнює неповній гігроскопічності. Цей шар нерухомий, складається з орієнтованих молекул води. Товщина слою 1–3 молекули. За фізичними властивостями ця вода близька до твердої речовини (щільність біля 2 г/см3).
Другий шар (сольватний, осмотичний) товщиною у 10–20 молекул, що орієнтовані менше і зв’язок їх із частинкою гірської породи слабіший. Утворюється при вологості породи, що дорівнює максимальній гігроскопічності.
Міцно зв’язана водає недоступною для рослин. Коріння їх не можуть відірвати цю воду від частинок гірської породи. Рихло зв’язана вода (плівкова)знаходиться на міцно зв’язаній і утримується молекулярними силами. Найбільш міцно зв’язані молекули, що лежать безпосередньо на адсорбційній. По мірі віддалення від частинки породи, молекулярні сили зменшуються, і дія їх на поверхні плівки води незначна. Зовнішні шари рихло зв’язаної води доступні для рослин. Рихло зв’язана вода існує в породі при вологості, що більша від максимальної гігроскопічності.
Вологість породи, в якій на поверхні частинок плівкова вода має максимально можливу товщину, відповідає максимально-молекулярній вологоємності.
Плівкова вода здатна переміщатися дуже повільно, від частин з більшою товщиною плівки до частинок з меншою товщиною. Це діється до тих пір доки товщина плівки не стане у обох частинок однаковою.
Кількість рихло зв’язаної водизалежить, як від гранулометричного складу, так і від мінералогічних особливостей частинок породи. Наприклад, монтморилонітні частинки відбирають плівкому воду у суміжних більш крупно-зернистих частинок іншого складу. Чи менші розміри частинок тим більша кількість рихло зв’язаної води. Так, максимально-молекулярна вологоємність у пісках складає біля 1.7%, у супісі – 9–13%, у суглинків – 15–23%, у глин – 25–40%.
Рихло зв’язана вода не підкоряється гравітації, бо молекулярні сили сильніші за сили тяжіння. Вода не передає гідростатичного тиску, бо не заповнює весь об’єм пор. Зі збільшенням товщини плівки поступово зменшується електромолекулярні сили і при вологості, що дорівнює ММВ, на зовнішні молекули вплив гравітаційних сил починає перевищувати. Молекули починають переміщатися по поверхні плівки вниз, утворюючи гравітаційну воду.
Капілярна водазаповнює капілярні пори та тонкі тріщини вгірській породі. Вона утримується і переміщується там під дією капілярних (меніскових сил). Ці сили перевищують силу тяжіння, тому вона може переміщуватися у різних напрямках. В зоні аерації (над рівнем грунтових вод) капілярна вода поділяється на такі види: капілярно-стикова, капілярно-чоточна, капілярно-підвішена, капілярно-піднята.
Капілярно-стикова утворюється в кутах пор пісчаних порід поблизу контакту частинок. Утримується капілярними силами, гідростатичного тиску не передає, переміщується як капілярно-рідка вода. Для рослин – мало доступна.
Капілярно-чоточна утворюється у пісчаних породах. Заповнює весь простір, прилеглий до частинок порід за винятком центральної частини пор, де знаходиться повітря з парою. Ця вода переміщується як рідка (вільна). Доступна для рослин.
Капілярно-підвішена утворюється в верхній частині зони аерації за рахунок проникнення атмосферних опадів, при вологості ґрунтів, що більша за максимально-молекулярну вологоємність. При тривалому випаровуванні вона може зникнути зовсім.
Капілярно-піднята утворюється над поверхнею ґрунтових вод. Верхня її межа коливається в залежності від коливання рівня ґрунтових вод. Доступна для рослин.
Вільна вода (гравітаційна) утворюється в гірських породах при їх вологості, що більша за максимально-молекулярну вологоємність та повному насиченні. Переміщується під дією гравітаційних сил та напірного градієнту. Передає гідростатичний тиск. Вільна вода утворюється за рахунок просочування атмосферних опадів до рівня ґрунтових вод. Рух вільної води в ненасичених породах називається інфільтрацією, в насичених – фільтрацією.
Вода у твердому станізустрічається у вигляді льоду в порах та тріщинах гірських порід в районах багаторічної мерзлоти, а також при сезонному промерзанні. Хімічно зв’язана вода є складовою частиною багатьох мінералів і виконує важливу роль у їх будові.
Виділяється два види хімічно зв’язаної води: конституційна та кристалізаційна. Конституційна присутня в кристалічній решітці у вигляді OH-, H, H3O– Виділяється при нагріванні мінералу від 300 до 1300оС і повному руйнуванні кристалічної решітки. Приклад: топаз Al2 (OH) 27SiO2.
Кристалізаційна вода знаходиться в кристалічній решітці мінералів у вигляді одиничних молекул та їх груп. Виділяється при температурі 250–300оС. Приклад: сода – Na2CO3710 H2O (63% води по масі), гіпс – CaSO472H2O.
2. Класифікації підземних вод за умовами їх формування та розповсюдження
Класифікацій підземних вод існує багато. Це пояснюється складністю і великою різноманітністю природних умов знаходження підземних вод, а також різними вимогами, які пред`являються при експлуатації тих чи інших типів підземних вод. Існують класифікації підземних вод за: температурою, мінералізацією, хімічним складом; є класифікації: мінеральних вод за бальнеологічними властивостями, термальних – за їх використанням, промислових – за корисними компонентами тощо.
Питанню класифікації підземних вод присвячено багато наукових праць. Вони побудовані за різними ознаками.
Відома класифікація Г.М. Каменського за походженням підземних вод. Він виділяє три типи підземних вод: інфільтраційні, які утворилися внаслідок просочування в гірські породи атмосферних опадів; морські, які утворилися в результаті проникнення древніх морів у процесі осадонакопичення чи пізніше при трансгресії моря; метаморфічні, які пов`язані з термальним та динамічним метаморфізмом і магматичними процесами.
Є класифікації підземних вод за умовами залягання, які враховують і деякі інші ознаки особливостей водовмісної породи, гідравлічних ознак тощо.
За умовами залягання і циркуляції виділяють підземні води в поверхневих водоносних горизонтах і підземні води, які залягають глибоко.
О.М. Овчинніков залежно від умов залягання виділив три основні типи підземних вод: верховодку, ґрунтові та артезіанські води. Залежно від характеру водовмісних порід (пористі або тріщинуваті породи) він поділив основні типи на ряд підтипів підземних вод. В особливі типи були виділені підземні води районів багаторічної мерзлоти та районів молодого вулканізму.
Розроблено рід класифікацій підземних вод, які ґрунтуються на особливостях земної кори (Б.В. Лічков), на гідравлічних ознаках і умовах залягання підземних вод (О.К. Ланге), є класифікації за хімічним складом підземних вод (В.І. Вернадський, В.О. Александров, С.О. Щукарев, Н.І. Толстіхін, О.О. Альохін).
У відповідності з останніми уявленнями про умови формування, розповсюдження, особливості гідродинамічного режиму, можливості використання, виділяють 3 основні типи підземних вод і 7 особливих типів.
Основні типи включають: 1) води зони аерації; 2) ґрунтові води; 3) артезіанські води.
Особливі типи: 1) тріщинні води; 2) карстові води; 3) мінеральні води; 4) промислові води; 5) термальні води; 6) води районів багаторічної мерзлоти, 7) субмаринні води, або води морського та океанічного дна.
Зона аерації знаходиться в самій верхній частині земної кори, від поверхні землі до рівня ґрунтових вод. У цій зоні значна частина пор заповнена повітрям із парами води. Деякий об`єм пор зайнятий фізично зв`язаною та капілярною водою. Під час атмосферних опадів та сніготанення через цю зону фільтруються гравітаційні води зверху вниз у вигляді окремих крапель та струминок.
Ґрунтовими називаються підземні води, які залягають на першому від поверхні землі досить витриманому по площі водотривкому шарі і утворюють постійно існуючий водоносний горизонт.
Артезіанськими водами називаються підземні води, що знаходяться у водоносних горизонтах (комплексах), які перекриті водотривкими пластами та мають гідростатичний напір. Цей напір проявляється в підйомі рівня води над покрівлею пласта при розкритті його свердловинами чи іншими видами виробок. При сприятливих геоструктурних та гідрогеологічних умовах свердловини можуть фонтанувати.
3.
Розрахунок притоку підземних вод до досконалого артезіанського колодязя
Розрізняють досконалі і недосконалі гірничі виробки. Під досконалими розуміються виробки, які розкривають водоносний пласт на всю його потужність. Вода в такі виробки надходить через стінки в інтервалі, що відповідає потужності напірного та ґрунтового пласта біля свердловини.
Приток води до досконалого ґрунтового колодязя розраховується, виходячи з формули Дарсі
Q=kFI
в якій потужність грунтового водоносного горизонту змінюється по осі х відповідно до положення кривої депресії, напірний градієнт є змінним.
Якщо із свердловини чи колодязя відкачувати воду, то рівень води в них починає знижуватися від початкового – статичного рівня. Рівень, який знижується, називається, динамічним.
При довготривалій відкачці у водоносному горизонті навколо колодязя (свердловини) утворюється лійкоподібне зниження рівня підземних вод. Найбільше воно у колодязі. На деякій відстані від колодязя зниження настільки мале, що динамічний рівень зливається із статичним. Лійкоподібне зниження рівня води підземних вод прийнято називати воронкою депресії.
У вертикальному розрізі воронка депресії відображається у вигляді кривої лінії, яка зветься кривою депресії. Відстань від осі колодязя до точки, де динамічний та статичний рівні зливаються, називається радіусом впливу. В умовах усталеного руху положення воронки депресії постійне, а в умовах неусталеного руху – змінюється в часі.
Вперше теорію притоку води до колодязя розробив Дюпюі (1867 р.). При розрахунках припускається, що водопровідність пласта постійна, а нижній водотрив – горизонтальний. При цьому лінії току в плані мають вигляд радіусів, спрямованих до колодязя, а в розрізі паралельних прямих.
Розрахунок притоку води до досконалого артезіанського колодязя виконується, виходячи з формули Дарсі.
Ця формула була виведена французьким гідравліком Дюпюі і носить його ім’я, використовується вона для визначення дебіту (витрати) колодязя Q
при усталеному русі.
При неусталеному русі:
Q =
|
