Гидродинамические особенности и виды потоков по изменчивости свойств фильтрационной среды

Изменение свойств фильтрационной -среды вызывает изменение уклонов, скорости и направления движе­ния потока. Рассмотрим некоторые исходные понятия. В понятие «не­однородность» в математике и геологии вкладывается разное содержа­ние. В математике неоднородность означает некоторый разброс чис­ловых значений исследуемого показателя какого-либо свойства. В гео­логии под пространственной неоднородностью понимают закономер­ное изменение в пространстве показателей и свойств объекта. Изменчивость свойств геологической среды исследована в ин­женерной геологии Г. К- Бондариком, М. В. Рацем, С. Н. Чернышо­вым, а в гидрогеологии рассмотрена в работах Л. С. Язвина, Б. В. Боревского, В. А. Мироненко, И. К- Гавич и др.

Неоднородность фильтрационной среды выражается изменением показателей ее проницаемости и емкости в геологическом пространстве. Однако изменчивость емкостных свойств меньше, чем фильтрацион­ных, поэтому в дальнейшем под фильтрационной неоднородностью -будем понимать изменение водопроводимости или коэффициента филь­трации. Закономерные их изменения связаны с фациальной изменчи­востью пород, появлением в разрезе слоистости, наличием зон разло­мов и т. п. Эти изменения связаны с факторами, действующими на­правленно и долгое геологическое время, и охватывают значительные по размерам площади, в результате чего формируется региональная неоднородность. Элементы ее имеют значительные в плане или разрезе размеры. Случайные изменения формируются под влиянием локаль­ных факторов, характеризующихся непродолжительностью, разным направлением и значительным числом. Обычно к случайным измене­ниям показателей относят и погрешности определения этих показате­лей лабораторными или полевыми методами.

Выделяют четыре уровня (порядка) неоднородности в зависимости от размеров ее элементов: мега-, макро-, мезо- и микронеоднородность. Низший уровень (порядок) имеет самая крупная неоднородность, а высший — самая мелкая. Гидрогеологические объекты могут изу­чаться на уровне бассейнов, водоносных комплексов, водоносных го­ризонтов или их частей. Как геологические объекты они могут изу­чаться на уровне выделения формаций, литолого-генетических ком­плексов (фаций) и отдельных горных пород (минерально-породный). В зависимости от принятого уровня изучения потока подземных вод действие элементов неоднородности на процесс фильтрации будет про­зе являться и учитываться по-разному. Так, при изучении фильтрации на уровне бассейна небольшие прослои, линзы, тектонические раз­ломы могут рассматриваться как элементы неоднородности высшего порядка, и воздействие их на фильтрационный поток может быть ста­тистически усреднено. Если в качестве объекта рассматривается во­доносный горизонт или его часть, то эти же элементы будут проявлять себя как эффективная неоднородность, т. е. будут воздействовать на структуру потока и должны учитываться при схематизации и построе­нии расчетной схемы. Если зона влияния R_э, т. е. сфера взаимодейст­вия естественных границ или сооружений (водозаборы, плотины) с геологической средой значительна, то мелкие элементы неоднородности проявят себя статистически усредненно, и в этой об­ласти среда может быть принята условно однородной. Если размеры элементов неоднородности R_н соизмеримы с зоной влияния R_э, то они должны учитываться в расчетной схеме (модели) потока подзем­ных вод.

Таким образом, понятие неоднородности среды математически от­носительно. Среда может приниматься за однородную и неоднородную в зависимости от соотношения принятых к рассмотрению размеров R_н и R_э- Для потоков как ГДС выделяют  типовые схемы неоднород­ного строения пласта в разрезе и плане.

Типы неоднородного строения геологической среды

 Где, а — однородное; б — многослойное; в — двухслойное; г — кусочно-однородное (резкая смена по направлению движения); д — постепенно изменяющееся. / — 4 — песок (1 — мел­кий, 2 — крупный, 3 — средний, 4— глинистый); 5 — галечник; 6 — суглинки; 7 — тре­щиноватые известняки; 8 — водоупорные глины; 9 — уровень грунтовых вод; 10 —* направ­ление движения воды; 11 — источник. П — паводок; М — межень.

В однородной среде к и Т в пространстве не изменяются и при уста­новившемся движении Т и V постоянны. При слоистом строении пласта наблюдается дискретное изменение к или Т по вертикали, но они постоянны по простиранию каждого слоя. В этом случае градиент потока, направление его движения и скорость фильтрации зависят от соотношения числовых значений k_i и Т_i от­дельных слоев. При кусочно-однородном строении на каждом участке длиной I₁,I₂ и т. п.  наблюдается постоянное значение к или Т, а из­менения / и V соответствуют схеме однородного строения, на границах участков наблюдается резкий перелом кривой депрессии, что отве­чает первому следствию закона преломления токов.

Из уравнения Дарси  видно, что математически каждому закону изменения показателя соответствует определенное изменение скорости и градиента потока. Последние четыре схемы строения пласта рассматриваются в настоящее время как схемы с упорядочен­ной закономерной неоднородностью.

Принимая во внимание порядок неоднородности и схемы строения пластов, выделяют потоки с однородной и квазиоднородной (условно однородной), упорядоченной (закономерно изменяющейся) и неоднородной средами. В потоках первой группы элементы неодно­родности как самостоятельные не проявляются, а в потоках второй и третьей — влияют на гидродинамическую структуру и мерность потока.

Фильтрационные свойства пласта могут проявляться по-разному в зависимости от направления движения воды в нем, поэтому выде­ляют потоки с изотропной и анизотропной средами. В последнем слу­чае к или Т меняются различно по направлению осей координат .

Гидродинамические особенности и виды потоков, выделяемые по строе­нию фильтрационной среды с учетом направления движения

где а — поток с изотропной однородной средой;б—поток  с анизотропной однородной средой;в-поток с изотропной закономсрной неоднородной средой; г-поток с анизотропно неоднородной средой.

Гидродинамические особенности и виды потоков в зависимости от формы, числа границ и вида граничных условий

Форма границ потока в плане и разрезе определяет его конфигурацию, мерность и структуру. Дейст­вие границ пласта на движение потока является относительным и за­висит от длительности нестационарной фильтрации. Например, при­ток воды к скважине, работающей вблизи реки, в первое время не зависит от ее влияния, так как радиус влияния откачки меньше, чем расстояние до реки, но при длительной откачке река начинает влиять на приток воды к скважине.

По воздействию границ на движение подземных вод выделяют по­токи: а) бесконечный, или неограниченный (все границы удалены практически в бесконечность и влияние на движение не оказывают); б)полубесконечный, или полуограниченный (имеется одна активно действующая граница); в) конечный, или ограниченный (все границы активно воздействуют на поток).