1. Види води в гірських породах
Стан та властивості води у гірських породах вперше детальновивчив 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 угірських породах: пароподібна, фізично-зв’язана, капілярна, вільна (гравітаційна),тверда, хімічно-зв’язана.
Пароподібна вода заповнює разом ізповітрям заповнює порожнини гірських порід, що не зайняті рідкою водою. Ця водадуже рухлива. Переміщується у всіх напрямках від місць з меншою пружністюводяної пари, в місця де вона більша. Пара проникає в гірські породи затмосфери або при випаровуванні ґрунтових вод. З охолодженням гірських порід доточки роси пароподібна вода конденсується. Безпосередньої участі у живленнірослин пароподібна вода приймати не може.
Фізично-зв’язана вода утримується наповерхні частинок гірських порід електромолекулярними силами, які набагатоперевищують сили тяжіння. Рухливість цієї води, набагато менше вільної(гравітаційної). За деякими фізичними показниками фізично зв’язана водапідрозділяється 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 міцноутримується електромолекулярними силами до 109 Па і вилучається тільки шляхомтривалого прогрівання при температурі 105–110Со.
Дерягін, Нерпін, Сергєєв виділяють 2 шара міцнозв’язаної води. Шар, що безпосередньо прилягає до частин(гігроскопічний) спостерігається при вологості порід, яка дорівнює неповнійгігроскопічності. Цей шар нерухомий, складається з орієнтованих молекул води.Товщина слою 1–3 молекули. За фізичними властивостями ця вода близька дотвердої речовини (щільність біля 2 г/см3).
Другий шар (сольватний, осмотичний)товщиною у 10–20 молекул, що орієнтовані менше і зв’язок їх із частинкоюгірської породи слабіший. Утворюється при вологості породи, що дорівнюємаксимальній гігроскопічності.
Міцно зв’язана водає недоступною длярослин. Коріння їх не можуть відірвати цю воду від частинок гірської породи.Рихло зв’язана вода (плівкова) знаходитьсяна міцно зв’язаній і утримується молекулярними силами. Найбільш міцно зв’язанімолекули, що лежать безпосередньо на адсорбційній. По мірі віддалення відчастинки породи, молекулярні сили зменшуються, і дія їх на поверхні плівки водинезначна. Зовнішні шари рихло зв’язаної води доступні для рослин. Рихлозв’язана вода існує в породі при вологості, що більша від максимальноїгігроскопічності.
Вологість породи, в якій на поверхнічастинок плівкова вода має максимально можливу товщину, відповідаємаксимально-молекулярній вологоємності.
Плівковавода здатна переміщатися дуже повільно, від частин з більшою товщиною плівки дочастинок з меншою товщиною. Це діється до тих пір доки товщина плівки не станеу обох частинок однаковою.
Кількість рихло зв’язаної водизалежить, як відгранулометричного складу, так і від мінералогічних особливостей частинокпороди. Наприклад, монтморилонітні частинки відбирають плівкому воду у суміжнихбільш крупно-зернистих частинок іншого складу. Чи менші розміри частинок тимбільша кількість рихло зв’язаної води. Так, максимально-молекулярнавологоємність у пісках складає біля 1.7%, у супісі – 9–13%, у суглинків – 15–23%,у глин – 25–40%.
Рихло зв’язана вода не підкоряєтьсягравітації, бо молекулярні сили сильніші за сили тяжіння. Вода не передаєгідростатичного тиску, бо не заповнює весь об’єм пор. Зі збільшенням товщиниплівки поступово зменшується електромолекулярні сили і при вологості, щодорівнює ММВ, на зовнішні молекули вплив гравітаційних сил починаєперевищувати. Молекули починають переміщатися по поверхні плівки вниз,утворюючи гравітаційну воду.
Капілярна водазаповнюєкапілярні пори та тонкі тріщини вгірській породі. Вона утримується іпереміщується там під дією капілярних (меніскових сил). Ці сили перевищуютьсилу 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-стиковаутворюється в кутах пор пісчаних порід поблизу контакту частинок. Утримуєтьсякапілярними силами, гідростатичного тиску не передає, переміщується яккапілярно-рідка вода. Для рослин – мало доступна.
Капілярно-чоточна утворюється у пісчанихпородах. Заповнює весь простір, прилеглий до частинок порід за виняткомцентральної частини пор, де знаходиться повітря з парою. Ця вода переміщуєтьсяяк рідка (вільна). Доступна для рослин.
Капілярно-підвішенаутворюється в верхній частині зони аерації за рахунок проникнення атмосфернихопадів, при вологості ґрунтів, що більша за максимально-молекулярнувологоємність. При тривалому випаровуванні вона може зникнути зовсім.
Капілярно-піднята утворюється надповерхнею ґрунтових вод. Верхня її межа коливається в залежності від коливаннярівня ґрунтових вод. Доступна для рослин.
Вільна вода (гравітаційна) утворюється вгірських породах при їх вологості, що більша за максимально-молекулярнувологоємність та повному насиченні. Переміщується під дією гравітаційних сил танапірного градієнту. Передає гідростатичний тиск. Вільна вода утворюється зарахунок просочування атмосферних опадів до рівня ґрунтових вод. Рух вільноїводи в ненасичених породах називається інфільтрацією, в насичених –фільтрацією.
Вода у твердому станізустрічається увигляді льоду в порах та тріщинах гірських порід в районах багаторічноїмерзлоти, а також при сезонному промерзанні. Хімічно зв’язана вода є складовоючастиною багатьох мінералів і виконує важливу роль у їх будові.
Виділяється два види хімічно зв’язаної води: конституційна такристалізаційна. Конституційна присутня в кристалічній решітці у вигляді OH-,H, H3O– Виділяється при нагріванні мінералу від 300 до 1300оС і повномуруйнуванні кристалічної решітки. Приклад: топаз Al2 (OH) 27SiO2.
Кристалізаційна вода знаходиться вкристалічній решітці мінералів у вигляді одиничних молекул та їх груп.Виділяється при температурі 250–300оС. Приклад: сода – Na2CO3710 H2O (63% водипо масі), гіпс – CaSO472H2O.
2.Класифікації підземних вод за умовами їх формування та розповсюдження
Класифікаційпідземних вод існує багато. Це пояснюється складністю і великою різноманітністюприродних умов знаходження підземних вод, а також різними вимогами, якіпред`являються при експлуатації тих чи інших типів підземних вод. Існуютькласифікації підземних вод за: температурою, мінералізацією, хімічним складом;є класифікації: мінеральних вод за бальнеологічними властивостями, термальних –за їх використанням, промислових – за корисними компонентами тощо.
Питаннюкласифікації підземних вод присвячено багато наукових праць. Вони побудовані зарізними ознаками.
Відомакласифікація Г.М. Каменського за походженням підземних вод. Він виділяєтри типи підземних вод: інфільтраційні, які утворилися внаслідок просочування вгірські породи атмосферних опадів; морські, які утворилися в результатіпроникнення древніх морів у процесі осадонакопичення чи пізніше при трансгресіїморя; метаморфічні, які пов`язані з термальним та динамічним метаморфізмом імагматичними процесами.
Єкласифікації підземних вод за умовами залягання, які враховують і деякі іншіознаки особливостей водовмісної породи, гідравлічних ознак тощо.
Заумовами залягання і циркуляції виділяють підземні води в поверхневих водоноснихгоризонтах і підземні води, які залягають глибоко.
О.М. Овчинніковзалежно від умов залягання виділив три основні типи підземних вод: верховодку,ґрунтові та артезіанські води. Залежно від характеру водовмісних порід (пористіабо тріщинуваті породи) він поділив основні типи на ряд підтипів підземних вод.В особливі типи були виділені підземні води районів багаторічної мерзлоти тарайонів молодого вулканізму.
Розробленорід 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).
Увідповідності з останніми уявленнями про умови формування, розповсюдження,особливості гідродинамічного режиму, можливості використання, виділяють 3основні типи підземних вод і 7 особливих типів.
Основнітипи включають: 1) води зони аерації; 2) ґрунтові води; 3) артезіанські води.
Особливітипи: 1) тріщинні води; 2) карстові води; 3) мінеральні води; 4) промисловіводи; 5) термальні води; 6) води районів багаторічної мерзлоти, 7) субмаринніводи, або води морського та океанічного дна.
Зонааерації знаходиться в самій верхній частині земної кори, від поверхні землі дорівня ґрунтових вод. У цій зоні значна частина пор заповнена повітрям із парамиводи. Деякий об`єм пор зайнятий фізично зв`язаною та капілярною водою. Під часатмосферних опадів та сніготанення через цю зону фільтруються гравітаційні водизверху вниз у вигляді окремих крапель та струминок.
Ґрунтовиминазиваються підземні води, які залягають на першому від поверхні землі доситьвитриманому по площі водотривкому шарі і утворюють постійно існуючий водоноснийгоризонт.
Артезіанськимиводами називаються підземні води, що знаходяться у водоносних горизонтах(комплексах), які перекриті водотривкими пластами та мають гідростатичнийнапір. Цей напір проявляється в підйомі рівня води над покрівлею пласта прирозкритті його свердловинами чи іншими видами виробок. При сприятливихгеоструктурних та гідрогеологічних умовах свердловини можуть фонтанувати.
3. Розрахунок притоку підземних вод до досконалого артезіанськогоколодязя
Розрізняютьдосконалі і недосконалі гірничі виробки. Під досконалими розуміються виробки,які розкривають водоносний пласт на всю його потужність. Вода в такі виробкинадходить через стінки в інтервалі, що відповідає потужності напірного таґрунтового пласта біля свердловини.
Притокводи до досконалого ґрунтового колодязя розраховується, виходячи з формули Дарсі
Q=kFI
вякій потужність грунтового водоносного горизонту змінюється по осі х відповіднодо положення кривої депресії, напірний градієнт є змінним.
Якщоіз свердловини чи колодязя відкачувати воду, то рівень води в них починаєзнижуватися від початкового – статичного рівня. Рівень, який знижується,називається, динамічним.
Придовготривалій відкачці у водоносному горизонті навколо колодязя (свердловини)утворюється лійкоподібне зниження рівня підземних вод. Найбільше воно уколодязі. На деякій відстані від колодязя зниження настільки мале, щодинамічний рівень зливається із статичним. Лійкоподібне зниження рівня водипідземних вод прийнято називати воронкою депресії.
Увертикальному розрізі воронка депресії відображається у вигляді кривої лінії,яка зветься кривою депресії. Відстань від осі колодязя до точки, де динамічнийта статичний рівні зливаються, називається радіусом впливу. В умовах усталеногоруху положення воронки депресії постійне, а в умовах неусталеного руху –змінюється в часі.
Впершетеорію притоку води до колодязя розробив Дюпюі (1867 р.). При розрахункахприпускається, що водопровідність пласта постійна, а нижній водотрив –горизонтальний. При цьому лінії току в плані мають вигляд радіусів, спрямованихдо колодязя, а в розрізі паралельних прямих.
Розрахунокпритоку води до досконалого артезіанського колодязя виконується, виходячи зформули Дарсі.
/>
Цяформула була виведена французьким гідравліком Дюпюі і носить його ім’я,використовується вона для визначення дебіту (витрати) колодязя Q приусталеному русі.
Принеусталеному русі:
Q= />