Практична робота №5 на тему: «Перерахунок і зображення результатів аналізів хімічного складу мінеральних підземних вод»

Д а н о: Результати аналізів хімічного складу мінеральних підземних вод в іонній формі (вказані на етикетці тари вітчизняної мінеральної води, що продається).

З а в д а н н я: Виконати перерахунок результатів аналізів хімічного складу мінеральної води (однієї з вітчизняних марок) в процент-мiлiграм-еквiвалентну форму; визначити її твердість, клас, групу, тип; зобразити склад води за допомогою формули М.Г.Курлова, квадрата Н. I. Толстихiна i графiків-­трикутників.

Питання для самоконтролю

1. Як поділяються підземні води за походженням?

2. Вкажіть види зв'язаної вологи.

1. Вкажіть види вільної води.

2. Вкажіть основні фізичні властивості підземних вод.

3. Якими катіонами характеризується хімічний склад підземних вод?

4. Якими аніонами характеризується хімічний склад підземних вод?

5. Як поділяються підземні води за солоністю?

6. Як поділяються підземні води за жорсткістю?

7. На які класи поділяються підземні води за хімічним складом ?

8. На які групи поділяються підземні води за хімічним складом?

9. На яки види поділяються підземні води за хімічним складом?

10. Вкажіть засоби зображення хімічного складу підземних вод.

11. Які є види хімічної агресивності підземних вод ?

12. Як називається здатність гірських порід пропускати через себе воду?

13. Як називаються підземні води першого від поверхні постійно діючого водоносного горизонту ?

14. Яка правильна назва процесу хімічного розчинення гірських порід рухомими підземними водами?

15. Яка правильна назва процесу механічного вимивання пісків рухомими підземними водами?

16. Якими грунтами за водопроникливістю є супіски?.

17. Якими грунтами за водопроникливістю є суглинки і глини?

18. Яке поняття виступає показником водопроникності гірських порід?

19. Як називаються підземні води першого від поверхні постійно діючого водоносного горизонту ?

20. Як називається водоносний горизонт між двома шарами водотривких порід ?

21. Які умови залягання ґрунтових вод?

22. Що таке гідро ізогіпси?

23. Які умови залягання артезіанських вод?

24. Чим відрізняється зона аераціїгрунтових вод від зони насичення?

1. .

Тема 11. Рух підземних вод

11.1. Рух води в зонах аерацiї I насичення

В зонi а е р а ц і ї, тобто в товщi порiд, розташованiй мiж денною по­верхнею i дзеркалом грунтових вод, знаходяться: а) водяна пара, що заповнює пори в породi; б) гiгроскопiчна волога, котра зумовлює гiгро­скопiчну вологiсть породи; в) плiвкова волога, яка обволiкає зерна порiд у виглядi плiвок рiзної товщини; г) капiлярна волога, розташо­вана у виглядi капiлярної облямiвки над дзеркалом грунтових вод.

Рух пiдземних вод в зонi аерацiї може вiдбуватись як пересування пари, як плiвковий рух, як вiльне просочування i як капiлярний рух.

Р у х п а р о п о д і б н о ї і г і г р о с к о п і ч н о ї в о л о г и. О.Ф. Лебедєвим було експерементально доведено, що волога в пароподiбному станi перемiщу­ється вiд дiлянки з бiльшою пружнiстю водяної пари до дiлянки з мен­шою її пружнiстю. Сама пружнiсть залежить вiд температури i вологос­тi порiд. Таким чином, якщо мiж рiзними дiлянками гiрничих порiд ви­никає рiзниця в температурi або в вологостi, починається рух водяної пари. При однаковiй температурi рух має напрям вiд бiльш вологих часток до менш вологих; при одна-ковiй вологостi - вiд бiльше до менше нагрiтих. Тому лiтом паропо-дiбна волога рухається зверху вниз, а взимку - знизу вверх.

Гiгроскопiчна волога також пересувається в порах порiд у виглядi водяної пари.

Р у х в о л о г и у п л і в к о в о м у с т а н і. За Лебедєвим рух води у плiв­ковому станi вiдбувається пiд дiєю молекулярних сил i не пiддається впливові сили тяжiння .

Розглянемо рух плiвкової вологи на прикладi (мал. 29). Допустимо, що ми маємо двi однаковi за дiаметрами частки породи, якi дотикають­ся одна до другої. Частка з центром О₁ покрита плiвкою вологи товщи­ною Р₁, а друга частка - тоншою плiвкою, товщиною Р₂. Розглянемо вплив часток породи, на частку вологи, яка знаходиться в точцi С. Легко переконатись, що вiддаль О₁С=R+P₁ i вона бiльша нiж O₂C=R+P₂, тобто частка з центром О₂ буде сильнiше притягувати частку вологи в точцi С, нiж частка породи з центром О₁. В резуль­татi частка вологи С перейде на плiвку, яка обволiкає частку породи з центром О₂. Рух часток вологи буде вiдбуватись до тих пiр, доки товщина плiвок на обох частках породи не стане однаковою.

Мал.29. Схема руху плівкової вологи (за А.Ф.Лебедєвим)

Р у х в о д и у в и г л я д і п р о с о ч у в а н н я. Просочування води в породах може вiдбу­ватись у виглядi окремих цiвок i у виглядi суцiльної маси води. У пер­шому випадку окремi цiвки води рухаються самостiйно, розрiзнено. Спочатку вiдбувається змочування часток грунту, пiсля чого пiд дiєю сили тяжiння надлишкова вода у виглядi гравiтацiйної просочується вниз. Такий вид руху Г.Н. Каменський назвав вiльним просочуванням. Другий вид руху спостерiгається у випадку, якщо породи насиченi во­дою повнiстю. Рух води тут вiдбувається зверху вниз пiд дiєю сили тяжiння. Такий вид руху води названий iнфiльтрацiєю.

К а п і л я р н и й р у х має мiсце як у верхнiй частинi зони аерацiї при просочуваннi i iнфiльтрацii, так i над дзеркалом грунтових вод (в капiлярнiй зонi). В першому випадку капiлярний рух вiдбувається зверху вниз (капiлярне всмоктування), в другому - знизу вверх (ка­пiлярне пiдняття). У породах, насичених водою, тобто в з о- н і н а с и ч е н н я, рух води може вiдбуватись у двох формах: 1) ламiнарного, при якому цiвки води течуть паралельно, без перемiшування i 2) турбулентного, при якому вiдбува­ється хаотичний рух часток рiдини i iнтенсивне перемiшування її ша­рiв. Перехiд вiд ламiнарного руху до турбулентного i навпаки вiдбу­вається при досягненнi певної швидкостi руху рiдини, яку називають критичною швидкiстю. Рух пiдземних вод в нескельових породах вiдбува­ється в основному за типом ламiнарного.

Щоб встановити закономiрностi руху рiдини в породах, французький вчений Х. Дарсi в 1856 роцi поставив нескладний дослiд, котрий грун­тується на наступному. В цилiндр, наповнений пiском (мал. 30) налива­ли шар води, пiдтримуючи її рiвень постiйним. Вода пiсля просочуван­ня через пiсок виливалась через кран в нижнiй частинi цилiндра. В цилiндр були встановленi зiгнутi трубки, так званi п'єзометри. Вода в трубках встановлюється на рiзних рiвнях (у верхньому п’єзометрi ­вище) в зв’язку з тим, що в процесi фiльтрацiї через пори грунту во­да зазнає опору i на це втрачається частина напору.

Мал.30. Схема приладу Х.Дарсі: 1 – циліндр, 2 – пісок, 3 – сітка, 4 – п’єзометри, 5 – трубка для подачі води, 6 – трубка для підтримування постійного рівня, 7 – зливна трубка.

В результатi проведених дослiджень Дарсi встановив, що кiлькiсть води, яка профiльтрувалась через пiсок за одиницю часу (витрата Q, м³/добу) прямо пропорцiйна рiзницi рiвнiв води в п’єзометричних трубках (H=H₂-H₁, м), площi поперечного перерiзу цилiндра (F, м²), а також дея­кому коефiцiєнту пропорцiйностi (K, м/добу) i обернено пропорцiйна висо­тi шару пiску (l, м). Виявилось, що коефiцiєнт K залежить вiд фiльтра­цiйних властивостей пiску i його стали називати коефiцiєнтом фiльт­рацiї (K_ф). Ця залежнiсть отримала назву закону Дарсi i звичайно записується в такому виглядi:

H₂-H₁

Q=K_фF  . (22) l

Вираз позначають буквою I i називають напiрним

градiєнтом або гiдравлiчним уклоном. Тодi можна записати:

Q= K_фFI. (23)

Якщо роздiлити обидвi частини рiвняння на F, то отримаємо швидкiсть фiльтрацiї (v):

(24)

Таким чином, швидкiсть фiльтрацiї прямо пропорцiйна коефiцi­єнту фiльтрацiї i напiрному градiєнту. Формула (23) являє собою рiв­няння прямої лiнiї, в зв'язку з чим закон Дарсi ще називають лiнiй­ним законом фiльтрацiї. Якщо у виразi (24) прийняти I=1, що має мiсце при уклонi, рiвному 45°, отримаємо:

v=K_ф, (25)

тобто к о е ф і ц і є н т ф і л ь т р а ц і ї, це та швидкiсть просочування, яку мав би потiк при уклонi, рiвному одиницi.

Не слiд при цьому змiшувати швидкiсть фiльтрацiї зi швидкiстю руху часток води. Справа в тому, що Дарсi при розрахунках приймав пло­щу поперечного перерiзу потоку (F) рiвною перерiзу цилiндра, тодi як в дiйсностi вода перемiщувалась в породi лише по порах. Щоб отримати дiйсну швидкiсть (u) руху пiдземних вод в порах грунту, необхідно витрату води розділити на площу поперечного перерізу і пористість грунту (n):

(26)

так як то

. (27)

Цей вираз показує, що дiйсна швидкiсть руху пiдземних вод бiльша вiд швидкостi фiльтрацiї, бо величина пористостi завжди менша вiд одиницi.

Необхiдно зауважити, що коефiцiєнт фiльтрацiї виражають в м/добу, хоча в деяких випадках застосовують см/с i км/рiк.

Якщо рух пiдземних вод вiдбувається в крупних пустотах порiд, то вiн стає турбулентним i пiдлягає нелiнiйному законовi фiльтрацii, який виражається рiвнянням Шезi-Краснопольського

(28)

Таким чином, швидкiсть фiльтрацiї при турбулентному русi пропорцiйна коефiцiєнту фiльтрацiї i напiрному градiєнту в степенi 1/2.