11.2. Потоки подземных вод

При анализе закономерностей движения подземных вод подземная часть гидросферы планеты рассматривается как сложная система (совокупность) в различной степени взаимосвязанных потоков подземных вод (см. раздел 2). Представление о потоках подземных вод рассмотрено Г.Н. Каменским, Н.И. Ходжибаевым и особенно подробно В.М. Шестаковым (1979). Под потоком подземных вод понимается ограниченный естественными границами элемент подземной гидросферы с единым направлением (едиными направлениями) движения подземных вод.

Все естественные границы потоков подземных вод подразделяются на границы двух типов: так называемые непроницаемые границы, изолирующие смежные потоки подземных вод, и условные естественные границы, через которые возможно взаимодействие (наличие расхода) двух смежных потоков подземных вод. Естественными непроницаемыми границами потоков являются водоразделы, под которыми аналогично поверхностным водоразделам понимаются линии с наиболее высоким положением поверхности подземных вод, разделяющие потоки с различными направлениями движения, дрены, и границы (контакты) водоносных и слабопроницаемых пород.

Границы водоносных и слабопроницаемых пород являются основным типом границ потока в разрезе и реже границами потоков в плане (по площади распространения). В большинстве случаев границы подобного типа не являются абсолютно непроницаемыми, и через них осуществляется затрудненное взаимодействие двух смежных потоков подземных вод (см. раздел 6.2).

В качестве естественных границ второго типа (с условием взаимодействия двух смежных потоков подземных вод) обычно рассматриваются границы геологических структур, геологических формаций, субформаций и литогенетических комплексов горных пород, границы геоморфологических элементов современной поверхности и др.

Гидродинамическая сетка потока подземных вод. При наличии в пределах рассматриваемого потока определенного количества точек с известными значениями пьезометрического напора (рис. 21) эти точки (или промежуточные, определяемые путем интерполяции) могут быть соединены плавными кривыми линиями – линии равного напора (Н= const).

Линии, проведенные нормально к линиям равного напора, обобщенно характеризующие направление движения подземных вод на данном участке потока (от области с большими напорами к области с меньшими напорами), называются линиями токов.

Система взаимно ортогональных линий тока и линий равного напора образует гидродинамическую сетку потока подземных вод. Участок сетки, ограниченный двумя соседними линиями тока, называется лентой тока.

Ячейка, образованная при пересечении двух линий токов с двумя линиями равного напора, называется элементом гидродинамической сетки (рис. 23).

При построении гидродинамической сетки необходимо соблюдение следующих основных правил (Гавич, 1983):

1) линии токов проводятся нормально к линиям равных напоров, так чтобы образующиеся ячейки (элементы сетки) являлись в общем случае криволинейными квадратами или прямоугольниками;

2) линии равного напора проводятся через одинаковые интервалы напора (ΔН),которые выбираются произвольно согласно зависимости Н⁰ = α ΔН, где Н⁰ = Н_макс (Н_макс, Н_мин) – напоры на границах рассматриваемой области потока), α – число принятых интервалов.

Рис. 23. Гидродинамическая сетка потока подземных вод 1 – линии равного напора; 2 – линии токов; 3 – лента тока; 4 – точки с измеренной величиной напора (Н) подземных вод

Гидродинамическая сетка является основой для проведения расчетов скоростей и расходов фильтрационного потока. В пределах каждого элемента сетки (ленты тока)

где m_j – мощность потока в пределах рассматриваемого элемента сетки или ленты тока, м; b_j – ширина элемента или ленты тока, м; остальные обозначения – в тексте.

Характер деформации гидродинамической сетки в пространстве определяет так называемую структуру фильтрационного потока. Естественные потоки подземных вод в большинстве случаев являются потоками трехмерными (пространственными), в которых гидродинамическая сетка деформируется по трем координатам. Более простыми по структуре являются двухмерные (плоские) потоки, для которых принимается, что деформация гидродинамической сетки происходит в основном по двум пространственным координатам. При этом поток, рассматриваемый в разрезе, называется профильным (плосковертикальным) и поток, рассматриваемый в плане, – плановым (плоскоплановым). В том случае, если линии токов (следовательно, и линии равных напоров) располагаются параллельно друг другу, поток называется параллельным (плоскопараллельным). При расположении линий равного напора в виде концентрических окружностей поток называется радиальным (радиально сходящийся, радиально расходящийся).

Большинство естественных плоских потоков являются потоками сложной конфигурации, и только на отдельных участках, особенно часто вблизи искусственных сооружений (каналы, скважины и др.), они могут быть сведены к параллельным или радиальным потокам.

В плановых потоках (плоских в плане) учитывается в основном деформация линий тока в плане, а в вертикальном сечении (в разрезе) поток принимается плоскопараллельным. Это допустимо главным образом для потоков большой протяженности, длина которых значительно превышает их мощность (условно l > 3т), что позволяет не учитывать изменения напоров по вертикали.

В плосковертикальных (профильных) потоках учитывается только деформация линий тока в вертикальной плоскости (в разрезе), а в плане поток принимается плоскопараллельным. При этом ширина профильного потока (В) обычно принимается равной 1 м.

Режим потока определяется изменением элементов потока (сетки) во времени. По характеру гидродинамического режима потоки подразделяются на стационарные, квазистационарные и нестационарные. Стационарными (установившимися) называются потоки подземных вод, элементы которых не меняются во времени или эти изменения являются несущественными. Квазистационарными – потоки, в которых во всех точках потока изменение напоров подземных вод за рассматриваемый период (Δt) происходит с одним знаком и на одну и ту же величину, в связи с чем конфигурация гидродинамической сетки остается без изменений.

В большинстве случаев режим естественных потоков подземных вод является нестационарным (неустановившимся), поскольку элементы потока (конфигурация гидродинамической сетки) в той или иной мере изменяются во времени. Однако во многих случаях за конечный (расчетный) период времени режим естественных потоков подземных вод может рассматриваться в качестве стационарного или квазистационарного.