Федеральное агентство по образованию

     Сыктывкарский лесной институт – филиал

     ГОУ ВПО «Санкт- Петербургская государственная  академия

     им. С.М.Кирова» 

Кафедра «» 
 

КУРСОВАЯ  РАБОТА 

     По  дисциплине: «Физика пласта» 

Тема: «Подземные воды и методы их анализа» 
 
 
 

Выполнил:

                   

Подпись:

Проверил:

                    

                                                                          Подпись: 
 
 
 
 

Город 2010

Введение…………………………………………………………………….……3

1.Общая часть………………………………………………………………….…5

    1.1.Происхождение подземных вод…………………………………………..5

    1.2.Классификация подземных вод и условия их залегания………….........10

    1.3.Основные проблемы использования подземных вод…………………...13

1.4.Состояние работ по подземным водам на территории России…………..15

2. Практическая часть…………………………………………………………...21

    2.1. Движение воды в зонах аэрации и насыщения…………………………21

    2.2. Движение подземных вод в водоносных пластах. Определение скорости движения подземных вод…………………………………………….22

   2.3. Установившееся и неустановившееся движение подземных вод. Методы моделирования фильтрации……………………………………..…….27

   2.4. Приток воды к водозаборным сооружениям……………………………29

       2.4.1. Приток безнапорных вод в горизонтальную дрену ……………….30

     2.4.2 Расчет притока грунтовых вод в скважину………………………….33

      2.4.3 Расчет притока напорных вод в совершенную дрену………………35

     2.4.4 Расчет притока артезианских вод в скважину………………………37

2.5. Методы определения коэффициента фильтрации горных пород. ……....39

3.Гидрологические  расчеты по притоку вод в  горизонтальные водосборы по данным города Ялутоворска, Тюменской области……………………………46

Заключение ………………………………………………………………………53

Библиографический список…………………………………………………..…54 
 
 
 
 
 
 

Введение

       На  сегодняшний день, одна из главных  сфер федеральных интересов РФ обращена к подземным водам,  которые имеют огромное значение по все местно. Развитие научно-технической базы человечества в этой области, осуществляется на основе достижений прогресса в области физики пласта. Однако, несмотря на высокое состояние геологии, многие вопросы требуют доработок.  И одной из ведущей и актуальной проблемы  на сегодняшний день является исследование подземных вод и методов их анализа. Ведь даже по данным, кандидата биологических наук, эколога Лукина В.А. на  территории России на 2009 году разведано всего 3354 месторождений подземных вод, из них эксплуатируется лишь 49%. Эксплуатационные запасы разведанных месторождений составляют 29,5 км³/год. Степень их использования в среднем по России не превышает 33%. И, несмотря на наличии большого объема тематической литературы отмечается недостаточное количество полных и явных обследований вопроса. Что, несомненно, приводит не только к застаиванию использования природных ресурсов, но и финансовым тратам в России. Поэтому, основная научная значимость данной работы состоит в максимальном упорядочивании данных в существующей научно-методологической базе по данной теме – собственным авторским исследованием; а практическая часть отображается в работе по расчету притока подземных вод к водозаборам, так как именно этот раздел лежит в основе рационального использования возможностей человека при работе с подземными водами.

       Теоретико-методологическую базу исследования составили четыре группы источников. К первой отнесены авторские издания по исследуемой  проблеме. Ко второй отнесены учебная  литература (учебники и учебные пособия, справочная и энциклопедическая  литература, комментарии к законодательству). К третьей отнесены научные статьи в периодических журналах по исследуемой  проблематике. И к четвертой – специали- зированные веб-сайты организаций.

       При проведении исследования  были использованы следующие методы исследования: анализ существующей базы по рассматриваемой проблематике (метод научного анализа), обобщение и синтез точек зрения, (метод научного синтеза и обобщения), моделирование на основе полученных данных авторского видения в раскрытии поставленной проблематики (метод моделирования). Будущие исследования  также актуальны в целях постоянного и обоснованного решения проблемы данной работы. Результаты могут быть использованы для будущих исследований.

       Главная цель работы: раскрыть положение вопроса о подземных водах и методах их анализа в России и странах зарубежья.

       Поставленная  цель определяет следующие задачи исследования:

       1. Рассмотрение положения исследовательских работ по подземным водам в Европе;

       2.Дать обзор проблем, возникающих в данной области.

       3.Провести анализ методов расчета по динамики подземных вод;

       4.Сделать практические расчеты по притоку вод в горизонтальные водосборы по данным города Ялутоворска, Тюменской области;

       5. Обозначить тенденции развития тематики в будущем. 
 
 
 
 
 
 

1.Общая  часть

1.1 Происхождений подземных вод.

       Все воды земной коры, находящиеся ниже поверхности Земли в горных породах в газообразном, жидком и твёрдом состояниях, называются подземными водами. Подземные воды составляют часть гидросферы – водной оболочки земного шара. Они встречаются, а буровых скважинах на глубине до нескольких километров. По данным В.И. Вернадского, подземные воды могут существовать до глубины 60 км в связи с тем, что молекулы воды даже при температуре 2000^о С диссоциированы всего на 2%.

       Приблизительные подсчёты запасов пресной воды в  недрах Земли до глубины 16 километров дают величину 400 миллионов кубических километров, т.е. около 1/3 вод Мирового океана. Накопление знаний о подземных водах, начавшееся с древнейших времен, ускорилось с появлением городов и поливного земледелия.

       В России первые научные представления  о подземных водах как о  природных растворах, их образовании  путем инфильтрации атмосферных  осадков и геологической деятельности подземных вод были высказаны  М.В. Ломоносовым в сочинении «О слоях земных» (1763 г.).

       До  середины 19 века учение о подземных  водах развивалось как составная  часть геологии. Затем оно обособляется в отдельную дисциплину - гидрологию.

       Общая гидрогеология изучает происхождение  подземных вод, их физические и химические свойства, взаимодействие с вмещающими горными породами. Она также изучает динамику подземных вод под влиянием естественных и искусственных факторов, разрабатывает методы количественной оценки производительности эксплуатационных скважин и запасов подземных вод.

       Учение  о режиме и балансе подземных  вод рассматривает изменения  в подземных водах (их уровне, температуре, химическом составе, условиях питания  и движения), которые происходят под воздействием различных природных факторов (атмосферных осадков, и условиях их инфильтрации, испарения, температуры и влажности воздуха и почвенного слоя, влияния режимов поверхностных водоемов, рек, техногенной деятельности человека).

       Под влиянием солнечной энергии с  поверхности Мирового океана испаряется в среднем около 450,0 тыс. км³ воды. Некоторая часть этой влаги в виде пара переносится воздушными течениями на материки. При определенных условиях водяные пары конденсируются и выпадают в виде дождя, снега, града и т.п. Выпавшие на сушу атмосферные осадки стекают по склонам местности, образуя ручьи и реки, которые несут свои воды вновь в Мировой океан. Часть выпавших осадков испаряется, часть просачивается в землю, образуя подземные воды, которые подземным стоком поступают в ручьи и реки и, таким образом, также возвращаются в океан. Этот замкнутый процесс обмена между атмосферой и земной поверхностью называется круговоротом воды в природе.

       Подземные воды формируются в основном из вод атмосферных осадков, выпадающих на земную поверхность и просачивающихся вод (инфильтрующих) в землю на некоторую глубину, и из вод из болот, рек, озер и водохранилищ, также просачивающихся в землю. Количество влаги, прогоняемой таким образом в почву, составляет 15-20 % общего количества атмосферных осадков. Проникновение вод в грунты (водопроницаемость), слагающих земную кору, зависит от физических свойств этих грунтов. В отношении водопроницаемости грунты делятся на три основные группы: водопроницаемые, полупроницаемые и водонепроницаемые или водоупорные. К водопроницаемым породам относятся крупнообломочные породы, галечник, гравий, пески, трещиноватые породы и т.д. К водонепроницаемым породам – массивно- кристаллические породы (гранит, мрамор), имеющие минимальную впитывать в себя влагу, и глины. Последние, пропитавшись водой, в дальнейшем ее не пропускают. К породам полупроницаемым относятся глинистые пески, рыхлые песчаники, рыхловатые мергели и т.п.

       Подземные воды в земной коре распределены в  двух этажах. Нижний этаж, сложенный  плотными магматическими и метаморфическими породами, содержит ограниченное количество воды. Основная масса воды находится  в верхнем слое осадочных пород. В нем по характеру водообмена с поверхностными водами выделяют три  зоны: зону свободного водообмена (верхнюю), зону замедленного водообмена (среднюю) и зону весьма замедленного водообмена (нижнюю). Воды верхней зоны обычно пресные и служат для питьевого, хозяйственного и технического водоснабжения. В средней зоне располагаются минеральные воды различного состава. Это – древние воды. В нижней зоне находятся высокоминерализованные рассолы. Из них добывают бром, иод и другие вещества. Подземные воды образуются различными способами. Один из основных способов образования подземной воды – просачивание, или инфильтрация, атмосферных осадков и поверхностных вод (озёр, рек, морей и т.д.). По этой теории, просачивающаяся вода доходит до водоупорного слоя и накапливается на нём, насыщая породы пористого и пористо - трещиноватого характера. Таким образом, возникают водоносные слои, или горизонты подземных вод. Поверхность грунтовых вод, называется зеркалом грунтовых вод. Расстояние от зеркала грунтовых вод до водоупорна называют мощностью водоупорного слоя. Количество воды, просочившийся в грунт, зависит не только от его физических свойств, но и от количества атмосферных осадков, наклона местности к горизонту, растительного покрова и др. При этом длительный моросящий дождь создает лучшие условия для просачивания, чем обильный ливень, так как чем интенсивнее осадки, тем с большей скоростью выпавшая вода стекает по поверхности почвы. Крутые склоны местности увеличивают поверхностный сток и уменьшают просачивание атмосферных осадков в грунт; пологие, наоборот, увеличивают их просачивание. Растительный покров (лес) увеличивает испарение выпавшей влаги и в то же время усиливает выпадение осадков. Задерживая поверхностный сток, он способствует просачиванию влаги в грунт. Для многих территорий земного шара инфильтрация является основным способом образования подземных вод. Однако имеется и другой путь их образования – за счёт конденсации водяных паров в горных породах. В тёплое время года упругость водяного пара в воздухе больше, чем в почвенном слое и нижележащих горных породах. Поэтому водяные пары атмосферы непрерывно поступают в почву и опускаются до слоя постоянных температур, расположенного на разных глубинах – от одного до нескольких десятков метров от поверхности земли. В этом слое движение паров воздуха прекращается в связи с увеличением упругости водяных паров при повышении температуры в глубине Земли. Вследствие этого возникает встречный поток водяных паров из глубины Земли вверх – к слою постоянных температур. А в зоне постоянных температур в результате столкновения двух потоков водяных паров происходит их конденсация с образованием подземной воды. Такая конденсационная вода имеет большое значение в пустынях, полупустынях и сухих степях. В знойные периоды года она является единственным источником влаги для растительности. Таким же способом возникли основные запасы подземной воды в горных районах Западной Сибири. Оба способа образования подземных вод – путём инфильтрации и за счёт конденсации водяных паров атмосферы в породах – главные пути накопления подземных вод. Инфильтрационные и конденсационные воды иногда называются вандозными водами (от лат. "vadare" – идти, двигаться). Эти воды образуются из влаги атмосферы и участвуют в общем круговороте воды в природе. Некоторые исследователи отмечают еще один способ образования подземных вод – ювениальные. Многие выходы этих вод в районах современной или недавней вулканической активности характеризуются повышенной температурой и значительной концентрацией солей и летучих компонентов. Для объяснения генезиса таких вод австрийский геолог Э. Зюсс в 1902 году выдвинул теорию ювенильного (от лат. "juvenilis" – девственный). Такие воды, как считал Зюсс, образовались из газообразных продуктов, в изобилии выделяющихся при вулканической активности и дифференциации магматической лавы. Более поздние исследования показали, что чистых ювенильных вод, как их понимал Э. Зюсс, в поверхностных частях Земли не существует. В природных условиях подземные воды, возникшие разными способами, смешиваются друг с другом, приобретая те или иные свойства. Однако определение генезиса подземных вод имеет большое значение: оно облегчает подсчёт запасов, выяснение режима и их качество. Уровень грунтовых вод подвержен постоянным колебаниям. Так, во время весеннего половодья и паводков уровень воды в реке, поднимаясь выше уровня речного потока, направленного к реке, вызывает отток воды из нее и подъем уровня грунтовых вод. Это снижает высоту уровня весенних половодий. На спаде грунтовые воды начинают питать реку, и уровень грунтовых вод понижается. Грунтовые воды могут образовываться за счет искусственных гидротехнических сооружений, например таких, как оросительные каналы. Так, при строительстве Каракумской оросительной системы за счет переброса части стока сибирских рек, в пустынной части значительное количество воды уходило не столько на поливные нужды, сколько на испарение и в грунт. Произошло это вследствие того, что большая часть оросительной системы проходила по песчаным почвам, где коэффициент фильтрации достаточно высок, и, несмотря на противофильтрационные меры, падения уровней воды за счет фильтрации воды в грунт были велики. Все это, помимо уменьшения стока рек, приводило к тому, что содержащиеся в грунте соли растворялись грунтовыми водами, и при движении подводных потоков обратно в канал происходило его засоление и загрязнение илом. 
 
 
 

1.2.Классификация  подземных вод  и условия их  залегания.

       По  условиям движения в водоносных слоях  различают подземные воды, циркулирующие  в рыхлых (песчаных, гравийных и  галечниковых) слоях и в трещиноватых скальных породах.

       Подземные воды, перемещающиеся под влиянием силы тяжести, называются гравитационными, или свободными, в отличие от вод, связанных, удерживаемых молекулярными силами, — гигроскопических, плёночных, капиллярных и кристаллизационных.

       Породы, слагающие земную кору, только в немногих и то сомнительных  случаях бывают абсолютно плотными. В них находится много свободных промежутков, называемых пустотами, и эти пустоты являются вместилищами подземных вод, которые частично выходят на поверхность в виде источников или вскрываются колодцами. Существует много видов горных пород, и они сильно различаются между собой по размерам, форме и расположению заключающихся в них пустота, а отсюда и по своей водоносности. Нахождение воды в породах того или иного участка земной коры определяется, следовательно, характером, распределением и структурой слагающих его пород — другими словами, геологией этого участка. Большинство пород имеет многочисленные пустоты очень малых размеров, для некоторых же характерно небольшое количество крупных пустот — таких, как трещины или каверны. Пустоты в породах большей частью сообщаются между собой, так что вода может двигаться по породам, проникая из одной пустоты в другую; но в некоторых породах пустоты в значительной степени разобщены, что создает неблагоприятные условия для циркуляции воды. Обычно пустоты имеют неправильную форму, причем для разных пород характерны различные типы неправильностей пустот. Различия в породах, отражающиеся на характере пустот, обусловливаются различным минералогическим составом пород - и огромным разнообразием геоло- гических процессов, связанных с образованием и позднейшими измене- ниями горных пород.

       В зависимости от характера пустот водовмещающих пород подземные  воды делятся на: поровые - в песках, галечниках и др. обломочных породах; трещинные (жильные) - в скальных породах (гранитах, песчаниках);   карстовые (трещинно-карстовые) - в растворимых породах (известняках, доломитах, гипсах и др.).

       По  условиям залегания выделяют три  типа подземных вод: верховодку, грунтовые и напорные, или артезианские.

       Верховодкой называются подземные воды, залегающие вблизи поверхности земли и отличающиеся непостоянством распространения. Обычно верховодка приурочена к линзам водоупорных или слабо проницаемых горных пород, перекрываемых водопроницаемыми толщами.