Тема 2. Гидродинамические основы теории миграции подземных вод.
2.1. Основные законы миграции подземных вод.
Из различных источников известно, что вода является водным раствором, содержащая ионы химических компонентов.
2.1.1. Понятие миграции подземных вод.
Под миграцией подземных вод понимают процесс перемещения компонентов в порах и трещинах горных пород с учётом физико-химических изменений, происходящих при смешивании подземных вод и взаимодействии с горными породами.
Гидродинамические основы миграции подземных вод базируются на представлениях о тепло и масса переносе в подземных водах. В гидрогеологической практике задачи миграции подземных вод наиболее широко исследуются при изучении загрязнения подземных вод в зоне влияния водозаборов, а так же при подземном захоронении подземных стоков.
2.1.2. Конвективный перенос.
Важнейшим фактором миграции подземных вод является конвективный перенос, происходящий за счёт гидравлического переноса частиц воды в фильтрационном потоке. В качестве основной характеристики скорости конвективного переноса подземных вод используется действительная скорость фильтрации (U), которая представляет собой отношение расхода фильтрационного потока (Q) к площади его поперечного сечения (𝜔п). U=Q\ 𝜔п.
К физико-химическим процессам, осложняющим миграцию подземных вод относится сорбция растворённых в воде солей на горных породах и растворение водой отдельных компонентов горных пород.
Сорбционные процессы прежде всего характеризуются сорбционной емкостью пород (N), которая представляет собой предельное количество сорбируемого в данных условиях компонента в единице объёма породы при определённой концентрации этого компонента в воде (C). Размерность сорбционной ёмкости такая же как и в концентрации раствора [N]=[C].
При сравнительно небольшой концентрации компонента (С) в водном растворе, можно считать справедливым закон действующих масс, когда сорбционная ёмкость пропорциональна концентрации 𝛽=C/N. В данной физико-химической обстановке коэффициент распределения есть величина постоянная.
Наиболее простой постановке миграция подземных вод может рассчитываться по схеме поршневого вытеснения, когда принимаются, что все частицы воды мигрируют с одинаковой скоростью U.
Найдём в такой постановке выражение для скорости движения фронта раствора с концентрацией С, вытесняющего тот же раствор, концентрация которого C0, с учётом сорбции раствора, но при мгновенном наступлении сорбционного равновесия, т.е. принебригаем кинетикой сорбции.
Эффективная пористость характеризует удельную суммарную ёмкость породы для рассматриваемого компонента раствора.
Аналогичным образом составляется тепловой баланс в элементе трубки тока. скорость конвективного теплопереноса также определяется формулой, но в этом случае величина эффективной пористости связана с теплоёмкостью водонасыщенной породы.
Для практических расчетов конвективного переноса по схеме поршневого вытеснения, когда скорость миграции определяется выражением 2.1.4. общее уравнение для пути миграции U=k/I.
Для ряда простых задач возможно простое решение уравнения 2.1.6., однако для большинства задач это уравнение решается численными методами.
Метод Эйлера-Коши, когда градиент Il усредняется, так что вместо уравнения 2.1.6. можно использовать выражение для конечно разностного приращения. ∆l=(k/n) Il∆t. Уравнение решается методом подборов.
2.1.3. Диффузионно-кондуктивный перенос.
Исследованиями Клинкенберга установлено, что в пористой среде имеет те же закономерности что и в свободной среде. Определяется законом Фика
Qd= -Dm𝜔(c/l) (2.1.8.)
Dm=χD0m (2.1.9.)
По опытам Клинкенберга χ изменяется от 0,5-0,7; а для сцементированных песков 0,25-0,5.
В глинистых породах поток осложняется торможением диффузии в пристенных слоях жидкости за счёт уменьшения подвижности ионов в двойном электрическом слое и большой вязкости структурированных жидкостей пристенных слоёв. В этом случае в выражение (2.1.9.) следует вводить поправочный коэффициент ηn, для ментанитовых глин равен 0,2; для моренных и лессовых суглинков 0,4-0,5; для глинистых пород Dm имеет порядок 10-5 м2/сут.
Следует отметить, что закон Фика (2.1.8.) справедлив для изотермических процессов и при независимой диффузии, т.е. когда рассматриваются смеси, состоящие из двух веществ, а так же в условиях для многокомпонентных смесей они должны иметь одинаковые коэффициенты диффузии всех компонентов. При невыполнении этих условий возникают более сложные явления неизотермической многокомпонентной диффузии.
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.
