Тақырыбы: жерасты суларның қозғалысы
ЖЕР АСТЫ СУЛАРЫ ДИНАМИКАСЫНЫҢ НЕПЗДЕРІ Жер асты суларының қозғалысы
Жер асты су лары ауырлық күшінің әсеріне байланысты қоректену аймағынан арылу аймағына қарайқозғалады. Алдыңғысында судың биіктік деңгейі барынша жоғары, ал кейінгісінде едәуір келеді. Жер асты суларының кқоректену аймағы болып may жоталары және оларды қоршаған тауалды шлейфтері (жаймалары), суайрық жазықтықтары т.б. бедердің биік бөліктері саналады. Жер асты суларының қоректену аймағы бөгендердің, жер суаратын каналдардың аймағында орналасуы мүмкін.
Жер асты суларының арылуы өзен аңғарларында (грунт суларын қоректендіретін жазық өңерлер өзендерінің сағаларын қоспағанда), жыралар мен сайларда, әдетте, суды жақсы өткізетін жыныстар мен суды нашар өткізетін жыныстар алмасатын, жер бетіне шығатын су жиылып қалатын may бөктеріндегі бедердің күрт иілетін орындарында байқалады. Жер асты суларының жасанды арылуы скважиналардан, құдықтардан, құрғатушы кәріздерден су тартумен байланысты. Грукнт суларының қозғалу бағыты бедердің еңістену бағытына сәйкес келеді. Борпылдақ және қатты жыныстарды саңылаулары мен жарықтары сумиен бүтіндей толған жағдайдағы осыларды бойлай қозғалуы фильтрлену (сүзілу) деп аталады. Егер су may жынысының бүтіндей толып бітпеген саңылаулары мен жарықтары арқылы қозғалатын болса, оны инфильтрлену деп атайды. Жауын-шашын суының, жер беті суларының қатты жыныстардың жарықтарына құйылуы инфлюация деп аталады. Жер асты суларының қозғалысы ауанды (ламинарлық) және ұйтқымалы (турбуленттік), анықталған және анықталмаған, бірқалыпты және бірқалыпсыз болып ажыратылады. Ауанды (ламинарлық) немесе параллель қозғалыс жылдамдықтың ауыткуынсыз өтеді. Бұл қозғалыс сүзілудің сызықтық (бірқалыпты) заңына бағынады. Үйтқымалы (турбуленттік) немесе құйынды қозғалыс жылдамдықтың екпінді түрде ауыткуымен сипатталады. Соған байланысты судың әр қабаты түрліше жылдамдықпен қозғалады. Турбуленттік қозғалыс фильтрленудің сынық сызықтық (бірқалыпсыз) заңына бағынады.
Жер асты суларының анықталған қозғалысы уақыт ішінде тасқынның бүкіл сипаттамасының кез келген кимадағы тұрақтылығымен сипатталады. Мұндай сипаттамаларға су қабатының қалындығы, арын градиенті (айырымы), сүзілу мен шығынның жылдамдықтары жатады. Егер қозғалыстың осы аталған сипаттамалары белгілі бір уақыт ішінде үнемі өзгеріп отырса, ондай қозғалыс анықталмаған қозгалыс деп аталады. Супы пластың қалындығы, қозғалыстың жылдамдығы жер асты суы бетінің еңістігі өзгеріссіз болған жағдайдағы қозғалыс бірқалыпты қозгалыс деп аталады. Сулы пластың қалындығы, қозғалыстың
жылдамдығы, жер асты суы бетінің еңістігі өзгермелі жағдайдағы жер асты суының қозғалысы бірқалыпсыз қозгалыс деп аталады.
Жер асты сулары қозғалысының заңдары
Сүзгіленудің бірқалыпты заңы (Дарси заңы). Жер асты суларының қозғаласы сүзілудің бірқалыпты заңына бағынады. Дарси заңы деген атпен белгілі бұл заң былайша өрнектеледі:
Q = Kiw, (1)
мүндағы Q — сүзілу тасқынының шығыны, яғни тасқынның көлденең қимасы арқылы ақыт бірлігі ішінде ағып өтетін судың мөлшері, м3/тәул. К — may жынысының сүзілу коэффициент’!, м/тәул. I — арын градиенті (яғни гидравликалық еңістік); W — тасқынның көлденең қимасы, м2.
Арын градиенті грунт суларының еркін бетінің еңістігін немесе арынды сулардың пьезометрлік деңгейін сапаттайды. Арын град иенmi мы на формула бойынша есептеледі: (1- сурет)
H1 — H2
I =
I
Мұндағы H1- грунт сулары деңгейінің немесе арынды сулардың пьезометрлік деңгейінің I қимасы бойынша биіктігі, Н2-ІІ қимасы бойынша грунт сулары деңгейінің немесе арынды сулардың пьезометрлік деңгейінің биіктігі; егер су өткізбейтін жыныс қабаты горизонтал күйде орналасса, онда Н1 мен Н2 грунт сулары үшін горизонттың қалындыұтары һ1 мен һ2-ге теңеседі, 1-1 және II қималарынынң ара қашықтығы немесе сүзгі жолы. Грунт суларының арын градиентін гидроизогипстер (грунт сулары бетінің бірдей биіктіктерін қосатын сызықтар) арқылы анықтауға болады. Арын градиентінің шамасы бедердің еңістігіне, оның мүшеленгендігінің шамасына, сулы жыныстардың сипатына, су өткізбейтін қабаттың еңістігіне, қоректену және арылу (кәріздену) биіктерінің өзара қатысына, осы екеуінің бір-бірінен қашықтығына т.б. факторларға байланысты. Арын градиентінің шамасы уақыт ішінде тұрақты болып қалмайды. Бұл грунт суларының қоректенуі күшейгенде артып, қоректену бәсеңдегенде кемүі мүмкін.
Сүзілудің бірқалыпты заңы. Г.Н.Каменский бойынша сүзгілену жылдамдығы тәулігіне 400 м-ге дейін жететін борпылдақ және жарықтық жыныстарға тура келеді. Бұл заңның қолданылуының төменгі шегі белгісіз. Барлық саңылаулы және жарықшақты жыныстардағы судың қозғалысы осы заңға бағынады. Аса ірі жарықтар мен куыстардағы судың қозғалысы үшін бұл заң қолданылмайды. Бұлардағы судың қозғалысы сүзілудің бірқалыпсыз (қисық сызықты) заңына бағынады. Егер 1=1 және W=l деп қабылдасақ, онда (1) теңдеу мы на түрде өрнектеледі
.
Q=K, (З)
яғни сүзгінің көлденең қимасының ауданы және арын градиенті 1-ге болғанда, одан уақыт бірлігі ішінде өтетін су мөлшері сүзілу коэффициентіне тең болады.
Бірақ сүзілу коэффициентіне өрнектеудің баска да жолы бар. (1) теңдеудің екі жағын да W-ға бөлсек, онда
Q/W=Kl (4)
Q/W — қатынасы сүзілу жылдамдығы деп аталатын жылдамдықты көрсетеді, осы қатынасты υ арқылы белгілесек
υ= Q/W (5)
түріндегі теңдеуді аламыз, υ-ның осы мәнін (4) теңдеудегі орнына қойсақ, онда υ= KI, яғни сүзілудің бірқалыпты заңының өрнегі шығады. I=1 болғанда
υ= К, (6)
басқаша айтқанда арын градиенті 1-ге тең болғанда, сүзілу коэффициентінің шамасы сүзілу жылдамдығына тең болады. Сүзілу коэффициентінің ең көбірек қолданылатын өлшемдері: м/тэул немесе см/с.
Сүзілу жылдамдығы немесе су қозгалысының нақты жылдамдыгы.
Сүзілу жылдамдығы may жыныстары қуысындағы судың нақты жылдамдығын бермейді. Мәселен, кәдімгі каналдар мен құбырлар секілді су бүкіл қабаттың қимасын толтырса, қандай жылдамдықпен қозғалар еді деген сүрақ туар еді. Шынында сүзілу кезінде су осы қабат қимасының біраз бөлігін ғана алады, ал қабаттың өзге бөлігін жыныстың түйірлері толтырады. Қозғалған судың нақты жылдамдығын и шығынды Q қимасының нақтылы ауданына, яғни сүзгінің бүкіл қимасының W ауданың қуыстылық коэффициентіне n көбейтуден алынатын қуыстардың (саңылаулардың) ауданына белу арқылы алуға болады. Сонымен, нақты жылдамдық былайша анықталады:
и= Q/Wn (7
(5) және (7) теңдеулерді салыстырсақ, онда υ= иn бүдан
и =υ/n (8
екенін аламыз. Сонымен сүзілу жылдамдыгы саңылаулардағы су
қозғалысының нақты жылдамдығы мен қуыстылық
коэффициентінің көбейтіндісіне тең, n әрдайым бірден кіші болатындықтан, сүзілу жылдамдығы қуыстардағы (саңылаулардағы) су қозғалысының нақты жылдамдығынан үнемі кіші болады.
Сүзілудің бірқалыпсыз (қисық сызықты) заңы. Үйтқымалы қозғалыс аса жарықшақты жыныстарға тән келеді. Егер тай жыныстарында ірі қыстар мен үлкен жарықшақтықтар болса, бұлардағы су қозғалысы сүзілудің бірқалыпсыз заңына бағынады. Бұл Шези-Краснопольский формуласы бойынша өрнектеледі:
υ=K√I
мүндағы и — сүзілу жылдамдығы; К — сүзілу коэффициент’!; I — арын градиенті.
Сонымен үйтқымалы қозғалыста сүзілу жылдамдығы 1/2 дәрежедегі арын градиентіне пропорционал екен.
Жер асты сулары қозғалысының бағыты мен жылдамдығын анықтау
Грунт сулары қозғалысының багытын анықтау. Кейбір гидрогеологиялық мәселелерді шешуде жер асты сулары қозгалысының бағытын және нақты жылдамдығын білу қажет. Грунт сулары тасқынының шарасы тасқынның қозғалу бағытына қарай еңіс келеді. Сондықтан грунт суларының қозғалу бағытын анықтау үшін осы сулар шарасының еңістік бағытын анықтау жеткілікті.
Су шарасының еңістігін гидроизогипстер картасы бойынша анықтайды, егер ондай карта жоқ болса, грунт тасқынының бағытын үшбүрыш әдісі бойынша анықтайды (2-сурет).
Грунт сулары қозгалысының жылдамдығын анықтау. Жер
асты сулары қозғалысының жылдамдығы, тіпті қүрамы біртекті may жыныстарының өзінде түрліше келеді. Сондықтан жер асты сулары қозғалысының жылдамдығы туралы сөз болғанда, алдымен қозғалыстың орташа жылдамдығы еске алынады. Тәулігіне бірнеше ондаған миллиметрден ондаған метрге дейін жететінбүл жылдамдық даладағы жүмыс басында индикаторлар, геофизикалық әдіс изоптарды пайдалану бойынша анықтайды.
108
|
|
103
2-сурет
Индикаторлар әдісінде тәжірибе скважинасына судың химиялық құрамын (немесе түсін) өзгертетін зат түсіріледі де, жер асты суларының тасқыны бағытында бұған төменіректе орналасқан байқау скважиналыры арқылы өзгеріске үшыраған осы судың келіп шығуын күтеді. Тәжірибе және байқау скважиналарының бір-бірінен қашықтығы may жыныстарының сипатына байланысты болады. Олардың бір-бірінен қашықтығы (3-сурет)
2
3-сурет
ірі түйірлі құмдарда 2 — 5 м, ұсақ түйірлі құмдарда 1 — 2 м, қүмайттарда, саздақтарда және басқа суды баяу өткізетін жыныстарда 0,5 — 1,5 м болады. Радиус бойынша орналастырылған байқау скважиналарының бір-бірінен қашықтығы 0,5 — 1,5 м. Су қозғалысының нақты жылдамдығын мына формула бойынша анықтайды:
l
и = ,
t2 —t1,
мұндағы I — тәжірибе және байқау скважиналарының ара қашықтығы; t2 — индикатордың байқау скважинасына келіп жеткен уақыты; t1 -индикаторды тәжірибе скважинасына түсірген кездегі уақыт. Индикаторлар әдісі химиялық, колориметрлік, электролиттік болып ажыратылады.
Химиялық әдіс. Индикатор ретінде скважинаға ас тұзының ерітіндісі түрінде еңгізілетін хлор ионы, хлорлы литий, хлорлы аммоний пайдаланылады. Алдын ала судағы хлор ионының мөлшерін анықтайды. Байқау скважинасындағы индикатордың пайда болуынан алынған сынамаларды азот қышқыл күміс ерітіндісімен титрлеу арқылы табады. Индикатордың пайда болу уақыты белгіленеді.
Колориметрлік әдіс. Индикатор ретінде may жынысы жұтып алмайтын бояуды пайдаланады. Сілтілі сулар болғанда алдымен сілтілер ерітіндісінде ерітілген флюоресцеинді, зюзинді, эритрозинді, флюорантронды т.б. пайдаланылады. Қышқыл сулар
үшін қышқылдардың әлсіз ерітіндісінде ерітілген метилен көгашін және анилин көгашін қолданылады.
Бұлардың ішінде көбірек қолданылатыны флюоресцеин. Оның 1:40000000 шамасындағы әлсіз концентрациясының өзінен пайда болатын жасыл түсті жай көзбен байқауға болады.
Электролиттік әдіс химиялық әдіске ұқсас. Айырмашылығы электролит енгізгенде төмендейтін судың омдық кедергісін тәжірибе барысында бақылап отыруда. Электролит ретінде хлорлы аммоний, ас тузы пайдаланылады.
Индикаторлармен тәжірибе жүргізу әдістемесімен алынған нәтижелерді өндеу арнаулы нұсқауларда келтірілген.
Геофизикалық әдістер жер асты суынынң минералдануы темен болған жағдайда қолданылады. Бул әдістер тобынан резистивиметрия әдісін қарастырамыз. Бұл әдіс скважинадағы судың меншікті электрлік кедергісін резистивиметр деп аталатын аспаптың көмегімен өлшеуге негізделген. Резистивиметр скважинаға түсіріледі. Тәжірибе алдында табиғи жағдайдағы судың электрлік кедергісі өлшенеді. Скважинаға электролитті еңгізгеннен кейін аспап арқылы бірнеше рет өлшеу жүргізіледі. Судың қозғалыс жылдамдығын мына формула бойынша анықтайды.
мундағы υк— судың қозғалыс жылдамдығы; r — скважинаның
радиусы, см; Со — тұздардың судағы табиғи концентрациясы, г/л; С1 мен С2 — өлшеу кезіндегі туздардың концентрациясы; t2 мен t1 уақыт моменттері (электролит енгізілгеннен кейінгі).
Туздардың концентрациясы мен ерітіндінің меншікті электрлік кедергісінің арасында кері байланыс болады. Жер асты сулары қозғалысының бағыты мен жылдамдығын анықтау үшін кейбір элементтердің (хлор, иод, күкірт, калий т.б.) радиоактивтік изотоптары да пайдаланылады. Радиоактивтік сәуле шығарудың көзін (гильзаны) тәжірибе скважинасына, есептеуішті бақылау скважинасына түсіреді.
Радиоактивтік индикаторлар әдісі бөгендердің сүзгіленуін, жер асты және жер беті суларының өзара байланысын, туздардың көшуін (миграциясын) зерттеуде т.б. жағдайларда кеңінен қолданылады.
Қазір табиғи суларда жүрген табиғи радиоактивті және турақты изотоптардың концентрациясын (шамасын) анықтауға негізделген табиғи изотоптар әдісін қолдануда дамып келеді (дейтерий, тритий, көміртегі -14, оттегі -18 т.б.). Бул әдіс арқылы жер асты суларының атмосфера жауын ө шашыны мен жер
беті суларымен қоректенуі, жер беті және жер асты суларының өзара байланысы, ылғалдың булануы мен оны өсімдіктердің тартуы зерттелуде. Бұл мақсаттар үшін тритий көбірек қолданылады
Үлкен аумақтарындағы жер асты суының қозғалу бағытын анықтау үшін гидроизогипстер мен гидроизопьезалардың карталары жасалад.
