Дослідно-міграційні роботи
В умовах інтенсивного техногенного впливу на підземні води великого значення набуває проблема вивчення водно-сольового режиму і балансу зони аерації крізь яку здійснюється зв’язок поверхневих вод з грунтовими.
Для вирішення цієї проблеми в практиці гідрогеологічних досліджень використовують дослідно-міграційні роботи.
Дослідно-міграційні роботи – це комплекс польових експериментів і натурних спостережень, які виконуються з метою отримання відомостей про механізми та параметри міграції підземних вод. В наслідок виконання дослідно-міграційних робіт має бути:
1) отримана інформація про водно-сольовий режим і баланс зони аерації в цілому;
2) визначені параметри вологоперенесення, які є коефіцієнтами рівнянь вологоперенесення в ненасичених грунтах;
3) отримані дані про напрямок руху вологи по будь-якому перерізу зони аерації та в фільтраційному потоці; про вологість грунтів по будь-якому перерізу зони аерації; про запаси вологи грунтів в конкретному інтервалі розрізу цієї зони; про положення рівня грунтових вод і верховодки; про величину надходження води на рівень грунтових вод із зони аерації або витрати з рівня грунтових вод на насичення грунтів цієї зони та випаровування.
На теперішній час застосовують такі основні види і методи польових дослідно-міграційних робіт : індикаторні, лізиметричні та гідрофізичні. Індикаторні методи детально розглядаються в гл. 4.8, лізиметричні – в гл.5.3, тому в даному розділі надана характеристика лише гідрофізичних методів досліджень.
Вивчення процесів і параметрів масоперенесення у водоносних пластах гідрофізичними методами грунтується на закономірностях теорії міграції підземних вод, яка надає фізико-математичний опис різних механізмів складних процесів гідродинамічного і фізико-хімічного характеру.
Міграція хімічних компонентів у водоносних пластах здійснюється в межах конвективно-дифузійних процесів (з врахуванням механізму гравітаційної диференціації), на які накладаються процеси фізико-хімічних перетворень в підземних водах і взаємодії з вміщуючими гірськими породами.
Відповідно в загальному випадку міграція визначається: 1) показниками конвективного (фільтраційного) перенесення – швидкістю фільтрації і активної пористості (тріщинуватістю); 2) інтенсивністю гравітаційної диференціації розчинів у водоносних пластах; 3) параметрами розсіювання – молекулярної дифузії і гідродисперсії в поровому (тріщиному) просторі; 4) показниками гетерогенних процесів фізико-хімічного поглинання (виділення) речовини (сорбції, іонного обміну, розчинення та ін.); 5) інтенсивністю перетворення речовини безпосередньо в рідкої фазі при довготривалої міграції.
Польові гідрофізичні дослідження – режимно-балансові спостереження в природних і техногенних умовах – виконуються на спеціально обладнаних дослідних ключових ділянках.
Склад спостережень визначається напрямком досліджень, але у всіх випадках необхідна достовірна інформація про метеорологічні, біологічні, агротехнічні та інші умови об’єкта, що вивчається, а також дані про господарське використання території.
Гідрофізичні методи використовуються для отримання гідрогеологічної інформації про рівні грунтових вод і верховодки, хімічний склад і мінералізацію вод, водний і сольовий режим зони аерації в природних і техногенних порушених умовах.
Особливу увагу при цьому приділяють використанню гідрофізичних методів для вивчення ненасичених грунтів зони аерації, тому що вони надають можливість отримати достатньо надійну інформацію про режим волого- і солеперенесення та кількісну характеристику основних складових водно-сольового балансу цієї зони і грунтових вод, що не можливо шляхом використання традиційних методів.
При виконанні досліджень гідрофізичними методами використовуються тензіометри, пневматичні рівнеміри та глибинні пробовідбірники.
Тензіометр використовують для вимірювання всмоктуючого тиску вологи в ненасичених грунтах зони аерації.
Принцип його роботи грунтується на досягненні рівноваги тиску вологи в грунті і тиску води в зонді тензіометра.
Тензіометр складається з пористого керамічного зонда (максимальний розмір пор не більше 1 мкм); з’єднувальних водоводних або повітряноводних трубок ,які використовуються для з’єднання пористого зонда з вимірювачем тиску – механічним манометром-вакуумметром або рідинним манометром – водяним чи ртутним.
Відомі різні конструкції тензіометрів але найбільшого розповсюдження набув тензіометр АМ-20-ІІ, якій використовується в різних модифікаціях.
В залежності від конкретних умов спостережень обирають різні схеми конструкції тензіометрів, які після збирання встановлюють в свердловини або шурфи. Існує два основних типи збірних тензіометрів – грунтові і глибинні.
Грунтові тензіометри використовують для вимірювання всмоктуючого тиску вологи на невеликих глибинах (3 – 5 м), їх збирають на поверхні, а потім встановлюють в свердловину (див.рис.4.11.).
Рис. 4.11. Схема обладнання грунтових тензіометрів з ртутним манометром (а)
та ізольованим від атмосфери повітряно-водяним манометром або
вакуумметром (б):
1- пористий зонд; 2- з’єднувальна трубка; 3- ртутний манометр; 4- повітряуловлювач;
5- повітряно-водяний манометр; 6- гумове кільце; 7- затискувач; 8- переносний вакуумметр; 9- відвід до насосу
Величину всмоктуючого тиску вологи p визначають за формулою:
p = 1h1 – 2h2 , (4.11.)
де 1 – густина ртуті; h1 – висота стовпа ртуті; 2 – густина води; h2 – висота стовпа води в тензіометрі.
Глибинні тензіометри використовують для вивчення всмоктуючого тиску вологи в грунтах зони аерації на глибинах до 30 м. Тензіометр встановлюють в шурф або в свердловину, після чого обсадні труби витягають, а стовбур свердловини тампонують.
Конструкції глибинних тензіометрів відрізняються тим, що в них відсутні водоводні трубки, а повітряуловлювач 4 безпосередньо зв’язано з пористим зондом 1 (див. рис. 4.12.).
Рис. 4.12. Схема глибинного тензіометра:
1- пористий керамічний зонд; 2- гумова трубка; 3- рівень води у повітряуловлюваче; 4- повітряуловлювач; 5- повітроводи; 6,7- відводи для заповнення тензіометрів водою;
8- верхня камера; 9- перегородка; 10- патрубок; 11- нижня камера
Величина всмоктуючого тиску вологи p розраховується за формулою:
p = pм + pв , (4.12.)
де pм – тиск повітря в нижній камері; pв – тиск, якій створюється стовпом води від рівня води в нижній камері до середини зонда.
Для визначення положення рівня грунтових вод в необсаджених трубами, затампонованих грунтом свердловинах використовується пневматичний рівнемір (див. рис.4.13.).
Визначення положення рівня грунтових вод при відомій глибині находження нижнього кінця приладу зводиться до виміру висоти в ньому стовпа води.
Для цього крізь повітряводну трубку 5 відсмоктують повітря, завдяки чому в приладі створюється розрідження, що перевищує величину тиску стовпа води від рівня грунтових вод до нижнього кінця повітряводної трубки 4, яка знаходиться в основі приладу.
Внаслідок створеної таким чином різності тисків крізь повітряводну трубку 4 в прилад буде надходити атмосферне повітря до тих пір, поки тиск повітря над водою не буде урівноважено тиском стовпа води, що знаходиться в ньому.
Сталий тиск в приладі вимірюється підключеним до повітряводної трубки 5 манометром 6. Величина розрідження, що фіксується манометром, буде чисельно дорівнювати висоті стовпа води в приладі.
Різниця значень глибини положення нижнього кінця повітряводної трубки (основа приладу) і тиску, що вимірюється, й надає величину глибини залягання рівня грунтових вод.
Розрахункова формула для визначення глибини рівня води h має такий вигляд:
h = h k – pм , (4.13.)
де h k – глибина нижнього торця повітряводної трубки (основи приладу); pм – тиск, що фіксується манометром.
Глибинні пробовідбірники використовуються з метою відбору проб розчинів з ненасичених грунтів зони аерації шляхом вакуумних витяжок при тиску вологи в грунтах вище 80 кПа (див.рис. 4.14.).
Для відбору проб води використовують спеціальні посудини місткістю 0,1 – 0,15 л з двома відводами. Один з відводів посудини 11 підключають до водопід’ємної трубки 5, інший – до баластної посудини 7 (бутель місткістю 0,5 л). При закритті трубки 6 крізь баластну посудину і водопід’ємну трубку 5 в пористому зонді 1 створюється розрідження від -90 до -95 кПа.
Під дією розрідження відібраний поровий розчин надходить до посудини 11.
На рис.4.15. приведена схема оснащення спостережу вальної точки на дослідній гідрофізичній ділянці – розміщення глибинних тензіометрів, встановлених в шурфі, пробовідбірника і рівнеміра.
Основною гідрофізичною характеристикою є характеристика = f (pв) = f (hв) (де pв – всмоктуючий тиск; hв – висота всмоктування), вона дозволяє оцінювати енергетичний стан вологи в грунті і пов’язувати з вологістю величину всмоктуючого тиску (висоту всмоктування) та параметри вологоперенесення.
Тензіометр дає можливість вимірювати від’ємний тиск в ненасичених грунтах
Тензіометр дає можливість вимірювати від’ємний тиск в ненасичених грунтах
Рис. 4.14. Схема глибинного прбовідбирника:
а- прилад; б- монтажна схема.
1- зонд; 2- гумова трубка; 3- патрубок; 4- пробка; 5- водопідйомна трубка;
6- повітряводна трубка; 7- баластна посудина; 8-10- затискувачі;
11- посудина для відбору проб
Тензіометр дає можливість вимірювати від’ємний тиск в ненасичених грунтах і
додатний гідростатичний тиск в насичених грунтах.
Рис. 4.15. Схема обладнання глибинних тензіометрів в шурфі:
а- поздовжній розріз шурфу; б- оголовок із бетонного кільця; в- поперечний розріз по лінії А-Б.
1- опадомір; 2- короб металевий; 3- повітряводні трубки; 4- ртутний манометр; 5- мірна посудина; 6- повітряуловлювач глибинного тензіометра; 7- зонд глибинного тензіометра; 8- зонд пробовідбірника; 9- отвір; 10- кріплення з дощок; 11- водовідна трубка; 12- рівень грунтових вод; 13- бетонне кільце; 14- кришка; 15- рівнемір
Величина тиску для прісної води відповідає висоті всмоктування в ненасичених грунтах і висоті тиску в насичених та квазінасичених грунтах.
При відомій вертикальній координаті z , використовуючи залежності: для насичених грунтів – Hн= hд + z (де Hн – гідродинамічний напір;hд= pд / -додатна висота гідростатичного тиску або простіше висота тиску; pд – гідростатичний тиск; – питома вага грунту; z – висота положення точки спостережень), для ненасичених грунтів – Hнн = -hв + z (де Hнн – гідродинамічний напір; hв= pв / – від’ємна висота тиску в ненасичених грунтах або висота всмоктування; pв – всмоктуючий тиск), можна розраховувати величину гідродинамічного напору, при цьому за площину порівнювання приймають поверхню землі, тоді координата z буде від’ємною.
В умовах вертикального одномірного вологоперенесення розподіл напорів по розрізу зони аерації в момент часу, коли виконувались відліки по тензіометрах, можна представити графічно у вигляді миттєвої епюри напорів (див. рис. 4.16.).
Рис. 4.16. Епюри напорів для визначення напрямку руху вологи в зоні аерації:
1- поверхня землі (z = 0); 2- поверхня грунтових вод (hв = 0).
І- рівноважний стан (рух відсутній); ІІ- низхідний рух вологи; ІІІ- висхідний рух вологи; IV- лінія, що вказує на зміну гравітаційної складової H.
За нахилом такої епюри можна робити висновок про напрямок руху вологи в зоні аерації. Якщо межею епюри є вертикальна лінія (напір постійний), то це вказує на рівноважний стан вологі в грунті, тобто рух вологі відсутній (лінія І на рис. 4.16.).
Відхилення межі епюри вліво від вертикальної лінії (кут нахилу більше 90 о) вказує на висхідний рух вологи, а відхилення вправо (кут нахилу менш 90 о) – на низхідний рух. Лінія IV, яка проведена під кутом 45 о, дозволяє в любому перерізі по глибині зони аерації розділити величину напору на дві складові – висоту всмоктування h в та висоту положення z.
Миттєва епюра напорів може бути побудована і для більш складних випадків, коли в зоні аерації формується область квазінасиченого стану грунтів.
Також можна скласти хронологічні графіки зміни напорів, за якими досліджують зміну напору в часі. Кожна крива такого хронологічного графіка будується за даними, які були отримані по конкретним тензіометрам, що були встановлені на дослідній ділянці в перерізі з координатою z.
За таким графіком визначають зміну висоти всмоктування в часі в кожному перерізі, напрямок руху вологи (по співвідношенню напорів в суміжних перерізах), динаміку вологоперенесення в цілому, середнє значення коефіцієнтів вологоперенесення, витрату потоку вологи, вологість грунтів та запас вологи грунтів зони аерації.
