Основні закони руху підземних вод

Вода може пересуватися в породах, не заповнюючи всіх пір і пусток, у вигляді окремих крапель і струменів. Такий рух води називається вільним просочуванням. Воно відбувається під впливом гравітаційних сил. Прикладом вільного просочування є рух, або інфільтрація, атмосферних опадів з поверхні Землі через породи зони аерації до дзеркала ґрунтових вод.

У тих випадках, коли пори порід повністю насищаються водою і остання пересувається під впливом гідростатичного тиску від місць з великим натиском (вищим рівнем) до місць з меншим натиском (менш високим рівнем), відбувається фільтрація підземних вод.

Розрізняють два види руху води: ламінарний і турбулентний. У першому випадку окремі струмені води рухаються паралельно і з невеликою швидкістю, утворюючи суцільний потік; у другому - рух характеризується великими швидкостями і вихровими перемещеннями цівок води, викликаючими розриви сплошності потоку.

В результаті проведених дослідів Дарси встановив, що кількість води, що профільтрувалася через пісок в одиницю часу, прямо пропорціонально різниці рівнів води в п'єзометричних трубках, віднесеної до висоти шару піску, площі перетину циліндра і деякого коефіцієнта; останній залежить від властивостей піску, температури води і її в'язкості.

Це відношення називають закон Дарсі. Відношення різниці рівнів води в п'єзометричних трубках до висоти шару піску називають напірним градієнтом, або гідравлічним ухилом, що показує величину падіння натиску на одиницю довжини шляху фільтрації. До - коефіцієнт фільтрації, або коефіцієнт водопроникності ґрунту. Розділивши обидві частини рівняння на площу перетину потоку Р, одержимо формулу швидкості фільтрації. Таким чином, швидкість фільтрації прямо пропорційна коефіцієнту фільтрації і напірному градієнту, узятим в першому ступені. Закон Дарсі називають лінійним законом фільтрації.

Швидкість фільтрації виражає так звану фіктивну, або приведену швидкість руху води, оскільки площа поперечного потоку по цій формулі прийнята рівній площі поперечного перетину породи, тоді як насправді вода пересувається в породі тільки по порам.

Коефіцієнт фільтрації До - основний показник водопроникності порід. По величині коефіцієнта фільтрації породи, можна підрозділити на наступні типи:

Закон Дарсі має виключно велике значення в динаміці підземних вод. Він справедливий для руху води не тільки в однорідних по складу дрібнозернистих пісках, але і в неоднорідних грубозернистих пісках, гравійно-галечникових відкладеннях і в більшості тріщинуватих порід, в яких спостерігається ламінарний рух. Відхилення від лінійного закону фільтрації відбуваються при так званій критичній швидкості фільтрації. Критичної називається швидкість, при якій ламінарний рух переходить в турбулентне.

Досліди показують, що в грубозернистих ґрунтах критична швидкість фільтрації близько 432 м/доб відповідно дійсна швидкість руху води в порах складає близько 1000 м/доб (при пористості породи, рівної 0,40). У природних умовах, як правило, швидкості фільтрації обчислюються метрами або десятками метрів, тому теорія руху підземних вод в основному базується на лінійному законі фільтрації.

Фільтрація води з швидкістю, що перевищує критичну, звичайно відбувається тільки в крупних тріщинах, карстових пустках або поблизу штучних вироблень (шахт, шурфів, свердловин) при дуже великих пониженнях рівня або натиску. У цих умовах рух підземних вод може іноді носити турбулентний характер, при якому швидкість пропорційна корінню квадратному з величини гідравлічного ухилу. У підземному потоці лінії струмів води зігнуті, є завихрення і розриви сплошності.

Закони Дарсі та Шезі-Краснопольського характеризують два крайні режими руху підземних вод - ламінарний і турбулентний. У неоднакових по водопроникності породах можливо існування змішаного, або перехідного, режиму.