Элементы фильтрационного потока

Характеристиками фильтрационного потока являются: направление движения потока, гидравлический уклон, скорость движения подземных вод и их расход.

Изучение динамики подземных вод основано на результатах замеров пластовых давлений или статических уровней в скважинах. По изменению статических уровней подземных вод с одинаковой плотностью можно сделать вывод о движении этих вод. Сопоставление статических уровней, имеющих различные плотности, может быть произведено после определения приведенного напора пластовых вод в скважине.

Среди существующих методик расчета приведенных напоров наиболее распространенной является методика А. И. Силина-Бекчурина. Сущность ее заключается в том, что пластовые воды пересчитывают на воды условной плотности в зависимости от положения забоя скважины по отношению к выбранной плоскости сравнения и плотности воды.

Приведенный напор рассчитывается по формуле 1:

где  H – высота приведенного напора, м;

        h1 – статический уровень, м;

        r1 – относительная плотность воды в скважине;

        z – расстояние между водоносным пластом и плоскостью сравнения, м;

        r2 – относительная плотность воды на выбранной плоскости сравнения.

Данная методика используется в тех случаях, когда минерализация и плотность воды в исследуемых скважинах и на плоскости сравнения отличаются не значительно. В качестве плоскости сравнения принимают отметку водоносного пласта, вскрытого в самой глубокой скважине.

Линии, соединяющие точки одинаковой величины напора подземных вод, называются линиями равного напора. Проекция этих линий на горизонтальную плоскость называются гидроизопьезами (в случае напорных вод). Линии, соединяющие одинаковые высоты поверхности (зеркала) грунтовых вод называются гидроизогипсами (для безнапорных вод).

Определив приведенные напоры, строят карту приведенных гидроизопьез (методом треугольников). По карте приведенных гидроизопьез определяют направление движения потока подземных вод – линия перпендикулярная гидроизопьезам.

Основным законом, которому подчиняется движение подземных вод, является закон Дарси. Следуя закону Дарси можно определить количество воды, проходящей через породу в единицу времени, которое будет прямо пропорционально площади поперечного сечения потока и величине напора, и обратно пропорционально длине пути фильтрации (формула 2):

где Q – объемный расход фильтрующейся жидкости, м3/сут;

       kф – коэффициент фильтрации, который зависит от физических свойств породы и фильтрующейся жидкости, м/сут;

       F – площадь поперечного сечения потока, м2;

       DH – разность напоров в двух сечениях, м;

       L – расстояния между двумя сечениями, м.

Отношение DH/L, характеризует величину падения напора на единицу длины фильтрации и называется напорным градиентом или гидравлическим напором I:

Закон Дарси будет иметь следующий вид:

Разделив обе части уравнения (4) на величину площади поперечного сечения потока F, определим скорость фильтрации:

Следует отметить, что полученная скорость фильтрации является фиктивной величиной, так как площадь поперечного сечения потока F значительно меньше истинной площади фильтрации (вода движется по порам и трещинам породы). Чтобы получить среднее значение действительной скорости движения подземных вод для данного участка, следует разделить скорость фильтрации на коэффициент пористости m: