Головна

Тема 1: Основи динаміки водних потоків. Струмениста модель руху рідини.

О.Є. Кошляков

В.І. Мокієнко

ПРАКТИКУМ

З ДИНАМІКИ ПІДЗЕМНИХ ВОД

Навчальний посібник

Рекомендовано

Міністерством освіти і науки України

Як навчальний посібник

Для студентів геологічних спеціальностей

Вищих навчальних закладів

Київ - 2004

УДК 551.49 (07)

Кошляков О.Є., Мокієнко В.І. Практикум з динаміка підземних вод : Навчальний посібник. - К.: Видавничо-поліграфічний центр "Київський університет", 2004. - 114 с.

Рецензенти І. М. Байсарович,канд. геол.-мінерал. наук, доцент

Б. М. Мандрик,канд.. геол.-мінерал. наук, доцент

Навчальний посібник розраховано на студентів геологічного факультету денної та заочної форм навчання, які вивчають дисципліну "Динаміка підземних вод". Метою даного видання є допомога в засвоєнні цього базового курсу із спеціальності "Гідрогеологія" , що в подальшому допоможе оволодінню рядом інших дисциплін, а також опануванню спеціальності в цілому.

Затверджено Вченою Радою

Геологічного факультету

Вересня 2004 року

Вступ.

Згадуються основні положення загальноосвітніх і геологічних дисциплін, що надалі будуть використовуватись в курсі "Динаміка підземних вод" для полегшення адаптації до нового матеріалу та кращого його засвоєння.

Головні питання та відповіді теми:

1.Що вивчає динаміка підземних вод (ДПВ)?

Декілька варіантів визначень:

ДПВ - вчення про закономірності руху води у пористих та тріщинуватих гірських породах, що розглядає систему "вода-порода" (І.Є. Жернов).

ДПВ вивчає кількісні закономірності руху підземних вод, розробляє теоретичні основи та методи геогідродинамічних розрахунків, що відповідають умовам формування режиму та балансу підземних вод під впливом природних та штучних факторів (В. М. Шестаков).

ДПВ (гідрогеодинаміка) - галузь гідрогеології, що досліджує закони руху води в земній корі (І. С. Зекцер).

2.Які природні сили викликають рух підземних вод?

Слід розрізняти негравітаційний та гравітаційний рух підземних вод.

Негравітаційний рух характерний для фізично зв'язаної вологи в зоні аерації та дрібнодисперсних глинистих породах. Цей рух виникає за рахунок різниці пружності водяної пари та залежить від розмірів частинок породи, розмірів пор, концентрації порового розчину. Цей вид руху носить назву міграції вологи.

Гравітаційний рух обумовлюється дією сили земного тяжіння у зонах аерації та насичення при наявності різниці напорів.

3.Які властивості гірських порід дають можливість воді рухатись крізь породу?

Такими властивостями являються пористість та тріщинуватість гірських порід.

4.Що таке пористість?

Пористість - загальний об'єм всіх пустот в породі. Кількісно пористість характеризується коефіцієнтом пористості, що дорівнює співвідношенню об'єму пор в зразку породи до всього об'єму зразка породи.

5.Що таке тріщинуватість?

Тріщинуватість - сукупність в гірських породах тріщин різного походження, як правило з'єднаних між собою. Кількісно тріщинуватість характеризується коефіцієнтом тріщинуватості, що дорівнює співвідношенню об'єму тріщин в зразку породи до загального об'єму зразка породи.

6.Які гірські породи є пористими?

Піски, піщаники, алеврити, суглинки, супіски, глини.

7.Яку розмірність має величина коефіцієнту пористості (тріщинуватості)?

Виходячи з розуміння того, що коефіцієнт пористості (тріщинуватості) являє собою співвідношення об'ємів, пористість є величиною безрозмірною.

8.Що таке розмірність?

Це вираз зв'язку даної фізичної величини з величинами, покладеними в основу системи одиниць. Відповідно, розмірність будь-якої фізичної величини визначається співвідношенням між нею та тими фізичними величинами, що прийняті за основу. Наприклад, для позначення розмірності фізичних величин застосовуються такі символи: L - розмірність довжини, M - розмірність маси, T - розмірність часу.

9.Що таке витрата водного потоку взагалі?

Це кількість води, що протікає через поперечний переріз потоку за одиницю часу.

10.Що таке витрата потоку підземних вод?

Це кількість води, що протікає через живий переріз потоку за одиницю часу.

11.Яку розмірність має витрата потоку?

В гідрогеології та ДПВ розмірність витрати потоку підземних вод - м3/діб або л/сек. (в загальному випадку L3/T).

12.Що є основними характеристиками потоків підземних вод?

Основними характеристиками потоків підземних вод є величини їх рівнів (напорів) та витрат.

13.Що таке рівень підземних вод?

Рівень підземних вод - це положення вільної або напірної поверхні підземних вод по відношенню до деякої площини порівняння

14.Що таке водоносний горизонт та водоносний комплекс?

Це частина геологічного пласта чи весь пласт, заповнений гравітаційною водою, що має єдину водну поверхню (напірну чи безнапірну). У водоносному горизонті виділяють зону живлення, зону розповсюдження (транзиту), зону стоку та зону розвантаження. Якщо в товщі водоносних та водотривких порід з різних причин важко виділити самостійні в гідравлічному відношенні водоносні горизонти, мова йде про водоносні комплекси.

15.Яким чином відображується рівень (напір) підземних вод на гідрогеологічній карті?

Рівень (напір) підземних вод відображується на гідрогеологічній карті у вигляді ізоліній, що з'єднують точки з однаковими значення рівня або напору. Такі ізолінії мають назву - гідроізогіпс (ізолінії рівня) або гідроізоп'єз (ізолінії напору).

16.Що таке фільтрація підземних вод?

Фільтрація - процес руху підземних вод, що виникає у насичених гірських породах під дією природних та штучних факторів.

17.Що таке потоки та басейни підземних вод?

Область розповсюдження підземних вод, що знаходяться у стані спокою, називається басейном підземних вод. Як правило басейни приурочені до крупних синклінальних структур, крайових прогинів. При наявності руху підземних вод мова іде про потоки. Поняття басейну є умовним (коли рух підземних вод непомітний). ДПВ вивчає потоки підземних вод.

Тема 1: Основи динаміки водних потоків. Струмениста модель руху рідини.

Ключові поняття ДПВ - гідростатичний та гідродинамічний напір. Відображення фундаментальних законів руху рідини в ДПВ.

Основні положення:

Поле (фізичне) - особлива форма матерії з нескінченним числом ступенів свободи. Джерелом фізичного поля являється частка (наприклад для електромагнітного поля - заряджена частка).

Тиск - нормальна поверхнева сила , що діє на одиницю площі.

Швидкість - величина, що характеризує рух матеріальної точки і рівна відношенню величини пройденого точкою шляху, до час за який цей шлях був пройдений.

Гідродинаміка - частина гідромеханіки, наука про рух рідин під дією зовнішніх сил та про взаємодію між рідиною та іншими об'єктами при їх відносному русі.

Головні питання та відповіді теми:

1.Які поняття гідромеханіки використовуються при розгляді струменистої моделі рідини?

Використовуються такі поняття: суцільне середовище, гідростатичний тиск, поле швидкостей, поле тисків, лінія течії, поверхня течії, траєкторія, струминка, трубка течії.

2.Що лежить в основі понять "суцільне середовище" та "гідростатичний тиск"?

"Суцільне середовище" - приймається, що рідина рухається суцільним потоком. Гідростатичний тиск - властивість рідини, що залежить від положення часток рідини у просторі та дії зовнішніх сил.

3.Що таке "поле швидкостей" та "поле тисків"?

Поле швидкостей - розподіл швидкостей у просторі, зайнятому рідиною. Поле тисків - розподіл тисків у просторі, зайнятому рідиною. Якщо поля тисків та швидкостей не змінюються у часі, то їх називають усталеними (стаціонарними), у протилежному випадку - неусталеними (нестаціонарними).

4.Що означають поняття - "лінія течії", "поверхня течії", "траєкторія"?

Лінія течії (лінія току) - векторна лінія поля швидкостей. Поверхня течії - сукупність ліній течії, проведена через деякий замкнутий контур. Траєкторія характеризує переміщення конкретної точки у просторі. Лінії течії та траєкторії співпадають при усталеному русі рідини (при стаціонарному полі швидкостей).

5.Що таке "струминка" та "трубка течії"?

Струминка - частина рідини, що обмежена траєкторією точок замкнутого контуру. Трубка течії - нескінченно мала частина рідини, що виділена з загального об'єму рідини поверхнею течії. Якщо вона розглядається окремо, то називається елементарною.

6.Як визначається витрата та швидкість елементарної трубки течії (струминки)?

Витрата елементарної трубки течії (струминки) визначається за допомогою формули:

, (1.1)

де - середня площа перерізу трубки течії (струминки);

- довжина трубки течії (струминки);

- час, за який вимірюється витрата.

Швидкість елементарної трубки течії (струминки) визначається за допомогою формули:

. (1.2)

7.Що таке "середня швидкість" потоку підземних вод?

Середня швидкість - це уявна, однакова для всіх точок перерізу швидкість, при якій загальна витрата потоку така, як і при дійсній швидкості, не однаковій для різних точок перерізу. Визначається за такою залежністю:

, (1.3)

де - витрата потоку;

- середня площа перерізу потоку.

8.Як визначається загальна витрата потоку?

Загальна витрата потоку визначається за залежністю:

. (1.4)

9.Які види руху рідини розглядаються в ДПВ?

Розглядаються рівномірний, нерівномірний та плавно змінний види руху.

10.Що таке "рівномірний рух" рідини?

Це такий рух, при якому система ліній току виражається сукупністю взаємно паралельних та рівно направлених прямих. Площі живих перерізів в будь якому місці струминки будуть при цьому однакові. Відповідно постійною буде і швидкість в межах струминки.

11.Що таке "нерівномірний рух" рідини?

Це такий рух, при якому лінії току мають довільне взаємо розташування, а площі живих перерізів та швидкості змінюються по довжині потоку.

12.Що таке "плавно змінний" рух рідини?

В такому випадку лінії току характеризуються дуже малою кривизною, а кут розходження маж окремими лініями току настільки малий, що живі перерізи струминки можна вважати площинами нормальними до ліній токів, а площі живих перерізів змінюються вздовж потоку дуже плавно, як і середня швидкість руху рідини.

13. Наведіть схему сил, що діють на струминку рідини під час руху.

Схема представлена на рис.1.1.

Рис.1.1. Сили, що діють на струминку рідини під час руху.

Позначення: , - тиск; , - висота над площиною порівняння 0-0; - сила тяжіння; -питома вага рідини; - площа поперечного перерізу струминки; - сила опору; - кут нахилу до площини порівняння (0-0).

14.Яке рівняння відображує рівновагу сил, що діють у напрямі руху струминки рідини?

Рівняння рівноваги має вигляд:

, (1.5)

де , - сили тиску ( ).

15.Як визначається потенціал фільтрації?

Потенціал фільтрації визначається за залежністю:

. (1.6)

16.Як визначається градієнт потенціалу фільтрації?

Градієнт потенціалу фільтрації визначається за залежністю:

. (1.7)

17.Як визначається "висота тиску" (п'єзометрична висота)?

Висота тиску визначається за залежністю:

. (1.8)

18.Що таке "гідростатичний напір"?

Гідростатичний напір характеризує рівень потенційної енергії в точці потоку. Він визначається за залежністю:

. (1.9)

19.Що таке "швидкісний напір"?

В процесі руху рідини з'являється кінетична енергія, що залежить від швидкості. Швидкісний напір характеризує рівень кінетичної енергії в будь-якій точці потоку рідини, він визначається за залежністю:

, (1.20)

де - прискорення сили тяжіння.

20.Що таке "гідродинамічний напір"?

Гідродинамічний напір являє собою суму гідростатичного та швидкісного напорів:

. (1.21)

21.Що таке "ідеальна рідина"?

Ідеальною, або нев'язкою рідиною в гідравліці називається не стискувана рідина, в'язкість якої дорівнює нулю. В процесі руху такої рідини не виникає ніякого тертя. Поняття ідеальної рідини умовне. В природних умовах така рідина не існує, а існує реальна стискувана в'язка рідина.

22.Який вигляд має рівняння Бернуллі для ідеальної рідини?

Рівняння Бернуллі для ідеальної рідини має такий вигляд:

. (1.21)

Цю залежність також можна записати у такому вигляді:

, (1.21)

або:

, (1.22)

або так:

. (1.23)

23.Який вигляд має рівняння Бернуллі для реальної рідини?

Рівняння Бернуллі для ідеальної рідини має такий вигляд:

, (1.24)

де - втрати напору на подолання сил тертя при русі реальної рідини.

24.Які режими руху рідини розглядаються в ДПВ?

В ДПВ розглядаються головним чином ламінарний та турбулентний режими руху рідини.

25.Що таке "ламінарний режим" руху рідини?

Для ламінарного (струмінчастого) режиму руху рідини характерний рух окремими струминками, між якими відсутнє гідравлічне перемішування. Він спостерігається при малих швидкостях течії.

25.Що таке "турбулентний режим" руху рідини?

Турбулентний (неупорядкований) рух рідини спостерігається при достатньо великих значення швидкості течії. Для нього характерний активний прояв внутрішньої пульсації часток потоку, що обумовлює гідравлічне перемішування між окремими струминками.

26.Для чого використовується число Рейнольдса?

Число Рейнольдса використовується для визначення режиму руху рідини.

27.Яку розмірність має числа Рейнольдса?

Число Рейнольдса - величина безрозмірна.

Додаткові запитання до теми:

1. У чому полягає енергетичний зміст рівняння Бернуллі для ідеальної рідини?

2. Що в енергетичному плані відображають такі складові рівняння Бернуллі для ідеальної рідини, як висота тиску та швидкісний напір?

3. У чому полягає енергетичний зміст рівняння Бернуллі для реальної рідини?

4. Яка частина рівняння Бернуллі характеризує величину потенційної енергії в певній точці потоку.

5. Які величини застосовуються для визначення числа Рейнольдса.

Задача №1.1

Визначити величину градієнта потенціалу фільтрації між точками А та Впотоку рідини (див. Рис.1.2), питома вага якої відповідно складає (0.8, 1.0, 1.1Н/м3).

Рис. 1.2. Схема до задачі №1.1.

 



БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК | Тема 2: Закони фільтрації.

Тема 3: Ємнісні властивості гірських порід. | Тема 4: Потоки підземних вод. | Тема 5: Вихідні диференціальні рівняння фільтрації | Методи розв'язання диференціальних рівнянь геофільтрації | Усталених одномірних потоків підземних вод | Природний однорідний потік при наявності живлення по площі. | Фільтрація в зоні впливу гідротехнічних споруд. | Горизонтальних водозборів. | Фільтрація в зоні впливу одиночних | Фільтрація в зоні впливу взаємодіючих свердловин |

© 2016-2022  um.co.ua - учбові матеріали та реферати