Свойства и категории ГГС

Под физической основой ГГС будем понимать геологи­ческую среду (как гидролитосферное пространство), состоя­щую из двух взаимосвязанных основных компонент и их полей — твер­дого минерального вещества и подземной воды.

Основные характеристики любой ГГС следующие:

• гра­ницы,
• свойства элементов и системы в целом,
• структура,
• характер связей и взаимодействий между элементами и внешней средой.

Границы — наиболее сложные характеристики системы; они со­четают свойства граничащих или пересекающихся друг с другом си­стем (внешние границы) или ее элементов (внутренние границы). Границы подразделяют на естественные и искусственные; в последнем случае — это контуры инженерных сооружений, по которым они воздействуют на подземные воды (подземный контур плотины, боко­вая поверхность фильтра скважины и т. п.). К естественным границам относятся урезы рек, озер и других водоемов, контуры вреза долин в коренные отложения, выходы источников, зоны разломов, литолого-фациальные контуры и т. п. Обычно нижняя граница водоносного пласта — это поверхность водоупорного ложа. Верхней границей в грунтовых водах служит свободная поверхность их уровня.

Свойства элементов и системы в целом характеризуются при­знаками; количественные признаки называют показате­лями. Свойства и показатели изменяются в пространстве, а неко­торые из них и во времени. Изменчивость может быть закономерной (детерминированной), стохастической (вероятностной) или содержать обе тенденции. Показатели изменяются непрерывно или скачками (дискретно). Если во всех точках пространства системы величина данного показателя постоянна, то система по этому показателю на­зывается однородной или гомогенной, а в противном случае — не­однородной. Гетерогенная система состоит из нескольких однородных подсистем; например, если горная порода разбита трещинами на блоки, то трещины — это одна система, а блоки монолитных пород — другая. В результате взаимодействия элементов между собой и с внеш­ней средой в системе формируются новые свойства, которыми эле­менты не обладают.

Структура системы определяется соотношением в пространстве и во времени слагающих ее элементов и их связей. Пространственный аспект структуры характеризует порядок расположения элементов в системе, а временной — отражает смену ее состояний во времени, что обусловлено изменением, характера связей и взаимодействий си­стемы, т. е. ее развитием. Структура есть выражение иерархичности, организованности системы. В материальных системах структура ха­рактеризуется формой и размером физических тел, принятых за эле­менты, в идеальных (моделях) на первый план выступают не сами элементы, а их отображения и соотношения, определяется их про­странственно-временное положение, для чего используются различ­ные системы координат. Выявить структуру можно только после ее декомпозиции на элементы, Содержание структуры многообразно и за­висит от выбора объекта, который рассматривается в качестве системы, принятого членения его на элементы и характера изучаемых процес­сов. Можно говорить о гидрогеологической, гидродинамической и дру­гих структурах системы: в первом случае рассматривается соотноше­ние водоносных и водоупорных слоев, а во втором — линий токов и линий равных напоров, известное как гидродинамическая сетка.

Взаимодействия между элементами системы и с внешней средой представляют собой разнообразные формы энерго- и массообмена, т. е. различные гидрогеологические процессы, идущие в ГГС. Энерго- и массообмен выражается через взаимодействие полей давления (или пьезометрического уровня), температуры и плотности. Эти взаимо­действия проявляются в виде различных видов движений — фильтра­ции подземных вод, инфильтрации и гидрогеохимической миграции. Наблюдаются непрерывные перенос вещества и превращение энергии, т. е. состояние системы изменяется во времени. Такое поведение си­стемы называется режимом. Выделяют гидрогеодинамический, гидрогеохимический и гидрогеотермический режимы в соответствии с основными состояниями и показателями этих состояний.

Различают системы с равновесным, или установившимся, периоди­ческим и переходным, или неустановившимся, режимами. В первом случае состояние и показатели системы во времени не изменяются; во втором — система через равные промежутки времени приходит в одно и то же состояние; в третьем — система, будучи выведена из некоторого начального состояния, изменяется во времени, переходя к равновесному, периодическому, или сохраняет неустановившийся режим весьма долго. В последних двух случаях показатели состояния системы зависят от времени. При установившемся режиме энерго- массообмен в системе и с внешней средой сбалансирован, при неустановившемся — наблюдается направленный энерго-массоперенос в си­стему или из нее. Изменение состояний системы есть ее движение, развитие, эволюция.

Выделяют открытые и закрытые системы. В открытой системе происходит взаимодействие с внешней средой, в закрытой оно отсутствует. Полная энергия открытой системы равна сумме кинети­ческой, потенциальной и внутренней энергий. Первые два вида обус­ловлены наличием внешнего поля сил, а третий определяется тепло­вым движением молекул. Закрытая система имеет только внутреннюю энергию. Механическая (кинетическая и потенциальная) энергия си­стемы измеряется работой. Взаимодействуя с внешней средой, ГГС изменяется сама и меняет внешнюю среду, в результате формируются так называемые обратные связи.

Процессы, определяемые действием упругих, гравитационных и кулоновских сил, являются обратимыми, т. е. протекают одинаково в противоположных направлениях. Работа этих сил не зависит от формы траекторий их действия, а определяется лишь координатами начала и конца этих траекторий. Силы внутреннего трения зависят от формы траекторий их действия. В связи с этим процессы, в которых они действуют, имеют конечную скорость протекания и являются необратимыми. В ряде случаев можно реальные процессы считать квазиобратимыми, пренебрегая, небольшими необратимыми изменениями, например глинистые породы при небольшом изменении внешнего давления на них можно считать такой же упругодеформи- руемой средой, как песчаные.

Все сказанное позволяет сделать следующие выводы: 1) природные гидрогеологические объекты образуют ГГС различного уровня, взаи­мосвязанные и взаимодействующие между собой. Каждый уровень характеризуется своими свойствами, структурой, формами связей и комплексом процессов; 2) ГГС являются открытыми теомодинамическими системами, в которых протекают обратимые и необратимые процессы обмена энергией, массой вещества и информацией. Эти из­менения проявляются в конкретных видах движения, типах режима и баланса. Отсюда следует важная роль режимно-балансовых наблю­дений при изучении динамики подземных вод.