Потоки с постоянным расходом по пути движения

Ведение

Динамика подземных вод (гидрогеодинамика) - наука о дви­жении подземных вод в геологической среде. Такое движение характеризуется ламинарным режимом, который подчиняется ли­нейному закона фильтрации.

Прикладное значение гидрогеодинамики определяется воз­можностью решать гидродинамические задачи в реальных при­родных условиях. Решение этих задач, как правило, заключается в оценке величин расходов, скоростей фильтрации, гидростатиче­ских напоров и гипсометрического положения уровня грунтовых вод в конкретных условиях. Это, в частности, необходимо для определения величин подземного стока, фильтрационных потерь водохранилищ, подпора подземных вод и т. д.

Решение гидрогеодинамических задач в реальных условиях связано с большими трудностями, которые вызваны неограничен­ностью природных фильтрационных потоков подземных вод, не­однородностью их состава и свойств вмещающих отложений, сложной конфигурацией линий токов и эквипотенциальных пло­скостей. Учет всех природных факторов, с целью достижения мак­симальной достоверности конечных результатов в этих условиях, не всегда целесообразен технически и экономически.

Поэтому большинство гидрогеодинамических задач решается путем аналитического моделирования, когда реальный природный объект подменяется моделью разумной сложности. Эти модели оформляются в виде расчетной схемы.

Формирование модели разумной сложности связано с существенным упрощением реальной природной обстановки.

Для этого все факторы применительно к изучаемому процессу делятся на главные и второстепенные. Второстепенные факторы затем выво­дятся из учета. Деление факторов на главные и второстепенные относительно и зависит от целевого назначения и требуемой до­стоверности конечных результатов, от сложности гидрогеологи­ческой обстановки и степени ее изученности и, наконец, от харак­тера изучаемых процессов.

Выделив главные факторы, проводят на их основе типизацию и схематизацию гидрогеологических условий с целью представ­ления их в виде расчетной схемы. На основе законов линейной фильтрации определяется функциональная зависимость между выделенными главными факторами в виде одного или нескольких уравнений.

Под типизацией гидрогеологической системы понимается вы­деление в ее объеме объектов с относительно однородными усло­виями фильтрации. Относительно однородными можно считать объекты гидрогеологической системы, в границах которых наблю­дается относительное постоянство плотности подземной воды, гра­диента изменения коэффициента фильтрации вдоль потока (ΔК/ΔX), градиента изменения мощности фильтрационного потока (Δm/ΔX), уклона водоупорного ложа (i), граничных условий.

Схематизация гидрогеологической среды заключается в под­мене приблизительно однородных объектов геологической среды однородными в условиях модели, с конкретными границами их распространения и со средними значениями характеризующих их гидрогеологических параметров.

Определив характер модельного потока, его параметры и расчетную схему, приступают непосредственно к решению поставленной задачи. Это решение зависит от целевого задания. Чаще всего приходится иметь дело с задачами, целевое задание которых заключается в оценке изменения режима и баланса подземных вод при естественном и искусственном изменении гидрогеологической обстановки.

Решение задач в конечном итоге сводится к расчету расхода, гидростатического напора или мощности потока, как функции координат пространства и времени.

Целью практических занятий по Гидрогеологии раздела «Динамика подземных вод» является изучение студентами основных закономерностей движения подземных вод, овладение навыками формирования расчетной схемы и расчет основных гидродинамических элементов потока подземных вод.

Задание №1

Потоки с постоянным расходом по пути движения, в однородном пласте.

При оценке условий установившейся фильтрации подземных вод потоки принимаются состоящими из большого числа слабона­клоненных струек. Вертикальные составляющие скорости филь­трации, по сравнению с горизонтальными, весьма малы и ими пренебрегают, горизонтальные же составляющие скорости фильтра­ции принимаются постоянными по глубине.

Это положение явля­ется основной предпосылкой для вывода по Дюпюи формул дви­жения естественных потоков подземных вод.

Установившееся движение потоков подземных вод может быть равномерным и неравномерным. При равномерномдвижении ско­рость потока и уклон поверхности подземных вод постоянны. Такой вид движения возможен в двух случаях; при движении на­порных вод в артезианском пласте постоянной мощности или при движении безнапорного потока грунтовых вод по наклонному во­доупорному основанию с сохранением постоянства мощности по­тока. Такие случаи в природе редки. Обычно движение подземных вод бывает неравномерным.

Неравномерноедвиже­ние - это движение, когда мощность водоносного пласта, скорость фильтрации и уклон поверхности подземных вод непостоянны, их пьезометрическая, или депрессионная, поверхность является криво­линейной (рис. 1).

Рис.1 Схема неравномерного грунтового потока при наклонном залегании водоупора.

При изучении естественных потоков подземных вод обычно ре­шаются прямые и обратные задачи. К прямым задачам отно­сятся: 1) определение расхода подземных вод и других элемен­тов потока; 2) построение депрессионной кривой. Обратные задачи связаны с определением гидрогеологических параметров, характеризующие область фильтрации или условия питания, по данным о распределении напоров.

Поток подземных вод может быть одномерным и двухмерным, а водоносный пласт может подстилаться горизонтальным и наклонным водоупором. В зависимости от этого, уравнения движения подземных вод будут различными.

Расход потока по пути движения может быть постоянным или изменяющимся. Причинами изменения расхода может быть пи­тание подземных вод за счет инфильтрации или испарение с их поверхности.

В случае инфильтрации образуется выпуклая по­верхность подземных вод, в случае испарения - вогнутая. При интенсивной инфильтрации на отдельных участках, например, при поливах на массивах орошения, на поверхности подземных вод образуются бугры.

Расход потока грунтовых вод может изменяться в связи с перетеканием воды в поглощающие горизонты или в результате подпитывания артезианскими водами. В первом случае расход потока в направлении фильтрации уменьшается, во втором — увеличивается.

Потоки с постоянным расходом по пути движения.

Расход грунтовогопотока при го­ризонтальном залегании водоуорного основания в общем виде, выражается формулой:

Q = Fv= kBhI (1)

где: F = Bh -площадь поперечного сечения потока (В - ширина потока, h -мощность потока); u = kI -скорость фильтрации (k -коэффициент фильтрации, I -напорный градиент).

Если разделить левую и правую части формулы на В,то получим

Q/B = q = khi (2)

Величина q называется единичным расходом потока, т. е. рас­ходом, отнесенным к единице ширины потока. Единичный рас­ход потока — величина постоянная при установившемся дви­жении.

При горизонтальном залегании водоупорного основания (Н=h), на­порный градиент (уклон) грунтового потока, следовательно, .

(3)

общий расход плоского потока подземных вод со свобод­ной поверхностью:

(4)

Эта формула выведена Дюпюи

Поиск по сайту: