Свойства и параметры пласта подземных вод

Гидрогеологическими факторами движения подземных вод явля­ются свойства гидрогеологической системы как геологической среды, состоящей из взаимосвязанных составляющих - твердого минераль­ного вещества и подземных вод. Такими свойствами являются грани­цы системы, ее структура, характер связей и взаимодействий между элементами и внешней средой, а также свойства и параметры жидко­сти, фильтрационной среды и потока подземных вод.

Параметры водоносных пластов характеризуют их фильтраци­онные и емкостные свойства.К фильтрационным параметрам относят водопроводимостъ Т = km (напорные) или Т = kh (безнапорные) [м2/сут], она характеризует способность среды пропускать то или иное количество воды в едини­цу времени.

Емкостные свойства горных пород и пласта проявляются при колебаниях уровня воды и характеризуют способность пород поглощать или отдавать свободную воду, а также особенности протекания самих процессов насыщения и осушения. Различают гравитационную и упругую емкости. Гравитационная емкость проявляется в грунтовых водах и отражает процессы гравитационного насыщения (при подъеме уровня) или осушения (при снижении уровня). Упругая емкость проявляется в напорных водах и отражает процессы упругого сжатия или расширения воды и пород, вызывающих перераспределение давления в пласте.

Гравитационная емкость горных пород физически показывает, какой объем свободной воды может вместить или отдать выделенный объем пласта гравитационным насыщением или осушением. Соответственно пользуются показателями гравитационного недостатка насыщения μн или гравитационной водоотдачей μв.

Упругая емкость водонасыщенных горных пород напорного пла­ста физически означает, какой объем свободной воды может отдать или вместить выделенный объем пласта за счет упругого сжатия или расширения скелета породы, объема пор и воды. Действие первых двух факторов выражается коэффициентом β_c действие третьего фак­тора - коэффициентом β_в. Характеристикой объемной емкости поро­ды служит коэффициент упругой емкости β*:

β* = nβ_в + β_c.

Значения упругоемкости β* изменяются в зависимости от литоло­гического состава и глубин залегания пород. С увеличением глубины залегания водоносного пласта z этот параметр убывает по эмпириче­ской зависимости

где А для песков и песчаников принимаем равным 10^-3, а для глини­стых пород (2÷4)· 10^-2.

Емкость пласта как системы выражается гравитационной μ и упругой водоотдачей пласта μ*, которые характеризуют особенности протекания процессов поглощения гравитационной воды и осушения пласта при колебании уровня. Коэффициент гравитационной емко­сти показывает, какой объем ∆V свободной воды может отдать или вместить выделенный объем пласта единичной площади при изменении уровня свободной поверхности на ∆Н:

коэффициент упругой емкости единичного элемента пласта показывает, какой объем свободной воды может отдать или вместить выделенный объем пласта за счет проявления его упругих свойств:μ*= m·ɣ·β*.

Для оценки скорости протекания процессов гравитационного осу­шения (насыщения) в грунтовых пластах используют коэффициент уровнепроводности: а = T/μ [м²/сут], а для оценки скорости упругого насыщения («осушения») - коэффициент пьезопроводности

По степени изменчивости физических свойств среды выделяют однородный (гомогенный) и неоднородный (гетерогенный) пласты.

Однородный пласт характеризуется условиями k = const и μ= const, то есть параметры не изменяются в плане и в разрезе пласта. В неоднородном пласте k и (или) μ изменяются. В плане возможны изменения по отдельным зонам, связанные с геолого-структурными (тектоника) или литолого-фациальными (условия седиментации) фак­торами. Такой пласт называется кусочно-неоднородным.

Здесь размеры однородных участков обычно соизмеримы с раз­мерами области фильтрации. Если же размеры однородных участков очень мелкие, то влияние каждого из них индивидуально учесть не­возможно. В этом случае говорят о неоднородности высокого поряд­ка, а пласт представляют как статистически однородный, обычно со среднегеометрическими значениями параметра.

Кусочно-неоднородное строение пласта

Гетерогенная (неоднородная) среда бывает, как минимум, двух ти­пов:

• трещиновато-блоковая - сложена породами, разбитыми крупны­ми трещинами на блоки, которые, в свою очередь, примерно одно­родно трещиноватые или пористые (соответственно среда с двойной трещиноватостью или двойной пористостью);
• слоистая - сложена чередованием песчаных и глинистых слоев.

Среды с двойной трещиноватостью обладают высокими показа­телями фильтрационных и емкостных свойств. В средах с двойной пористостью (лессовидные суглинки, трещиноватые песчаники, мел) фильтрационные свойства определяются проницаемостью крупных трещин, а емкостные - пористостью и трещиноватостью блоков.

Характерные значения коэффициентов фильтрации, гравитацион­ной и упругой водоотдачи для некоторых типов пород приведены в таблице ниже.

Типы гетерогенного строения области фильтрации

а) трещино-блоковая; б) пористо-блоковая; в) слоистая

Характерные значения коэфициентов фильтрации, гравитационной и упругой водоотдачи

Породы рых­лые	k, м/сут т	μ	μ* 10-4	Породы скаль­ные	k, м/сут	μ	μ* 10-4
Пески сред­не- и круп­нозернистые	10- 102	0,1- 0,3	2-4	Известняки, песчаники сильно трещи­новатые	10-102	0,02- 0,05	1-5
Пески мел­козернистые, супеси лег­кие	1-10	0,05- 0,1	4-5	Песчаники, аргиллиты, известняки, изверженные породы, трещи­новатые	1-10	0,01- 0,02	0,5- 2
Суглинки, супеси	10-3-1	0,01— 0,05	5-10	Метаморфиче­ские, магмати­ческие породы, трещиноватые	1,0- 10-2	0,005- 0,01	0,1— 1,0
Глины	<10-3	<10-2	10-20	Метаморфиче­ские и магмати­ческие породы, слаботрещино­ватые	<102	<0,005	0,1— 1,0

Коэффициенты μ* и μ различаются на два-три порядка, следова­тельно, упругие запасы значительно меньше, чем гравитационные. В соответствии со значениями μ и μ* различаются на несколько поряд­ков и коэффициенты а и а*: скорость и дальность распространения возмущения уровней в напорных пластах на порядок больше, чем в грунтовых.