Понятие о сплошной геофильтрационной среде

В зависимости от того, с каких позиций рассматривают процесс движения воды в геологической среде, математически учитывают те или иные ее свойства и взаимодействия. В механике сплошных сред под элементарным объемом понимают неко­торый объем сплошной среды, несоизмеримо меньший, чем выделяе­мая для рассмотрения часть исследуемой среды, но в то же время не­сравненно больший, чем размер слагающих его частиц и расстояния между ними. В этом случае элементарный объем обладает всеми ма­кроскопически проявляющимися свойствами, присущими сплошной среде: вязкостью, упругостью, проницаемостью и т. п. Потоком называют объем или массу элементарных частиц, проходящих за еди­ницу времени через единичную неподвижную поверхность. Примени­тельно к процессу фильтрации подземных вод в геологической среде это означает, что под ф и льтрацией понимают только механическое перемещение под действием внешних сил частиц воды в порово-трещинном пространстве без учета их взаимодействия со скелетом породы. При этом в элементарном объеме сечения пор, раскрытость и длину трещин считают весьма малыми, и поэтому их конкретную форму и размеры во внимание не принимают, распределение их в элементар­ном объеме считают статистически равномерным. Это позволяет учесть влияние порово-трещинного пространства на движение подземных вод через обобщенные показатели. Так, объем пространства, через который, движется свободная вода, учитывают с помощью активной пористости, действие силы общего внутреннего трения, которое воз­никает между струйками воды и между водой и поверхностью мине­рального скелета породы,— с помощью коэффициента фильтрации, а количество свободной воды, которое может отдать или взять единица объема порово-трещинного пространства,— с помощью коэффициента емкости (как разность между пористостью или полной влагоемкостью и максимальной молекулярной влагоемкостью). При этом принимают, что закон распределения показателей этих свойств для всей изучаемой области известен. Такой элементарный объем называют п р е д с т авительным, или репрезентативным.

Размер элементарного объема определяют опытным путем. Мини­мальный размер этого объема, начиная с которого его уменьшение вызывает изменение количества фильтрующейся через него воды, и определяют как представительный. Диаметр репрезентативного объема должен быть в 7—10 раз больше среднего диаметра слагающих его минеральных частиц (или других элементов, принятых за «частицы»). Применительно к пористой и тонкотрещиноватой геоло­гической среде понятие сплошной среды правомерно, потому что се­чения пор и мелких трещин измеряются микрометрами также, как и размеры минеральных частиц или их агрегатов. Ясно, что в поро­дах с блоковой структурой (закарстованные известняки) и наличием систем крупных трещин и разломов представительный объем для того, чтобы пользоваться понятием сплошной среды, должен быть сущест­венно большим. В таких случаях следует каждый раз оценивать предполагаемый репрезентативный объем и его соотношение с размерами изучаемой области, чтобы убедиться, что теория фильтрации и поня­тие сплошной среды могут быть использованы.

Системный подход позволяет высказать такие соображения о прин­ципах изучения фильтрации в ГГС разного масштаба:

• каждый уровень и тип ГГС должны характеризоваться своими репрезентативным объемом и содержанием понятия «сплошная филь­трационная среда»;
• теорию фильтрации можно применить к ГГС любого уровня, если, определить, что понимать под порово-трещинным пространством и параметрами такой ГГС, считать, что движение подземных вод в крупных бассейнах идет медленно, ламинарность движения сохра­няется и новых сил движения, помимо гидростатического и геоста­тического давлений, нет.

Ясно, что для бассейна в целом представительный объем будет значительным и требуется разработка методов изучения и описания таких сплошных сред. В настоящее время при региональных гидро­геологических исследованиях запасы и ресурсы подземных, вод ре­гиона оценивают, используя методы и приемы теории фильтрации. Однако вопросы достоверности полученных результатов и многие другие остаются пока открытыми.