Гидрогеология

Эта статья о подземной гидрологии. Об остальной части гидрологического цикла см. Гидрологию .

Мальчик пьет из-под крана в рамках проекта водоснабжения NEWAH WASH [8] в Пуваре Шикхар, округ Удаяпур , Непал .

Проверка скважин

Мальчик под водопадом в национальном парке Фу Санг , Таиланд .

Деменовская пещера Свободы , «Изумрудное озеро».

Карстовый источник ( Кунео , Пьемонте , Италия ) [9]

Гидрогеология ( гидро — вода, а — геология — изучение Земли ) — область геологии , занимающаяся распределением и движением подземных вод в почве и горных породах земной коры (обычно в водоносных горизонтах ). Термины «гидрология подземных вод» , «геогидрология» и «гидрогеология» часто используются как синонимы, хотя чаще всего используется гидрогеология.

Гидрогеология — это изучение законов, управляющих движением подземных вод, механическим, химическим и термическим взаимодействием этой воды с пористым твердым телом, а также переносом энергии, химических компонентов и твердых частиц потоком (Доменико и Шварц, 1998). ).

Инженерия подземных вод, другое название гидрогеологии, — это отрасль техники , которая занимается движением грунтовых вод и проектированием колодцев, насосов и дренажей. Основные проблемы в области инженерии подземных вод включают загрязнение подземных вод, сохранение запасов и качество воды.

Колодцы строятся для использования в развивающихся странах, а также для использования в развитых странах в местах, не подключенных к городской системе водоснабжения. Колодцы должны быть спроектированы и обслуживаться так, чтобы поддерживать целостность водоносного горизонта и предотвращать попадание загрязняющих веществ в грунтовые воды. Споры возникают по поводу использования подземных вод, когда их использование влияет на системы поверхностных вод или когда деятельность человека угрожает целостности местной системы водоносных горизонтов.

Введение

Гидрогеология - междисциплинарный предмет; может быть трудно полностью объяснить химические , физические , биологические и даже юридические взаимодействия между почвой , водой , природой и обществом . Изучение взаимодействия движения подземных вод и геологии может быть весьма сложным. Грунтовые воды не всегда повторяют топографию поверхности ; Подземные воды следуют градиентам давления (поток от высокого давления к низкому), часто через трещины и каналы по окольным путям. Учет взаимодействия различных аспектов многокомпонентной системы часто требует знаний в нескольких различных областях как на экспериментальном , так и на теоретическом уровне. Ниже приводится более традиционное введение в методы и номенклатуру гидрологии насыщенных недр.

Гидрогеология по отношению к другим областям

Картина Ивана Айвазовского (1841 г.)

Гидрогеология, как указано выше, является отраслью наук о Земле, занимающейся потоком воды через водоносные горизонты и другие неглубокие пористые среды (обычно менее 450 м ниже поверхности земли). Очень неглубокий поток воды в недрах (верхние 3 м) имеет отношение к областям почвоведения , сельского хозяйства и гражданского строительства , а также к гидрогеологии. Общий поток флюидов (воды, углеводородов , геотермальных жидкостей и т. д.) в более глубоких пластах также вызывает озабоченность геологов, геофизиков и геологов-нефтяников . Грунтовые воды — медленноподвижная, вязкая жидкость (с числом Рейнольдса меньше единицы); многие из эмпирически полученных законов потока подземных вод могут быть альтернативно выведены в механике жидкости из частного случая потока Стокса (члены вязкости и давления , но без инерционного члена).

Пьезометр гидравлического — это устройство, используемое для измерения напора вод грунтовых .

Математические соотношения , используемые для описания потока воды через пористую среду, — это закон Дарси , уравнения диффузии и Лапласа , которые имеют приложения во многих разнообразных областях. Устойчивый поток подземных вод (уравнение Лапласа) был смоделирован с использованием аналогий с электрической , упругой и теплопроводностью . Переходный поток грунтовых вод аналогичен диффузии тепла в твердом теле, поэтому некоторые решения гидрологических проблем были адаптированы из литературы по теплопередаче .

Традиционно движение подземных вод изучалось отдельно от поверхностных вод, климатологии и даже химических и микробиологических аспектов гидрогеологии (процессы разобщены). По мере развития области гидрогеологии сильные взаимодействия между подземными и поверхностными водами , химией воды , влажностью почвы и даже климатом становятся все более очевидными.

В Калифорнии и Вашингтоне требуется специальная сертификация гидрогеологов для предоставления профессиональных услуг населению. Двадцать девять штатов требуют от геологов профессионального лицензирования для предложения своих услуг населению, что часто включает в себя работу в области разработки, управления и/или восстановления ресурсов подземных вод.

Например, истощение или превышение водоносного горизонта , а также откачка ископаемой воды могут быть факторами, способствующими повышению уровня моря.

Предметы

Капля воды .

Одной из основных задач, которые обычно выполняет гидрогеолог, является прогнозирование будущего поведения системы водоносного горизонта на основе анализа прошлых и настоящих наблюдений. Вот некоторые гипотетические, но характерные вопросы:

• Может ли водоносный горизонт поддерживать еще одно подразделение ?
• Высохнет ли река , если фермер удвоит орошение ?
• Химические вещества из химчистки попали через водоносный горизонт в мой колодец и вызвали у меня тошноту?
• Потечет ли шлейф сточных вод из септической системы моего соседа в мой колодец с питьевой водой ?

Большинство этих вопросов можно решить посредством моделирования гидрологической системы (с использованием численных моделей или аналитических уравнений). Точное моделирование системы водоносного горизонта требует знания свойств водоносного горизонта и граничных условий. Поэтому обычной задачей гидрогеолога является определение свойств водоносного горизонта с помощью испытаний водоносного горизонта .

Для дальнейшей характеристики водоносных горизонтов и водохранилищ ниже представлены некоторые первичные и производные физические свойства. Водоносные горизонты в широком смысле подразделяются на напорные и незамкнутые ( водоносные горизонты), а также на насыщенные и ненасыщенные; тип водоносного горизонта влияет на то, какие свойства контролируют поток воды в этой среде (например, выпуск воды из хранилищ для напорных водоносных горизонтов связан с сохраняемостью , тогда как для незамкнутых водоносных горизонтов он связан с удельным выходом).

Водоносные горизонты

Типичное поперечное сечение водоносного горизонта

Основная статья: Водоносный горизонт

Водоносный горизонт — это скопление воды под поверхностью, достаточно большое, чтобы его можно было использовать в роднике или колодце. Водоносные горизонты могут быть неограниченными, когда верхняя часть водоносного горизонта определяется уровнем грунтовых вод , или замкнутыми, когда водоносный горизонт находится под водоупорным слоем.

Есть три аспекта, которые контролируют природу водоносных горизонтов: стратиграфия , литология и геологические образования и месторождения. Стратиграфия связывает возраст и геометрию многих формаций, составляющих водоносный горизонт. Литология относится к физическим компонентам водоносного горизонта, таким как минеральный состав и размер зерен. Структурными особенностями являются элементы, возникающие вследствие деформаций после осаждения, таких как изломы и складки. Понимание этих аспектов имеет первостепенное значение для понимания того, как формируется водоносный горизонт и как профессионалы могут использовать его для инженерии подземных вод.

Гидравлическая головка

Основная статья: Гидравлическая головка

Различия в гидравлическом напоре ( h ) заставляют воду перемещаться из одного места в другое; вода течет из мест с высоким h в места с низким h. Гидравлический напор состоит из напора ( ψ ) и напора подъема ( z ). Градиент напора представляет собой изменение гидравлического напора на длину пути потока и в законе Дарси пропорционален расходу.

Гидравлический напор — это непосредственно измеримая характеристика, которая может принимать любое значение (из-за произвольной величины, входящей в состав z -члена); ψ можно измерить с помощью датчика давления (это значение может быть отрицательным, например, при всасывании, но положительным в насыщенных водоносных горизонтах), а z можно измерить относительно исследуемой точки отсчета (обычно верхней части обсадной колонны скважины ). Обычно в скважинах, вскрывающих незамкнутые водоносные горизонты, уровень воды в скважине используется в качестве показателя гидравлического напора, при условии отсутствия вертикального градиента давления. Часто необходимы только изменения гидравлического напора во времени, поэтому термин постоянного подъема можно не учитывать ( Δh = Δψ ).

Запись гидравлического напора в скважине во времени представляет собой гидрограф , или изменения гидравлического напора, зафиксированные во время закачки скважины во время испытания, называются ссадкой .

Пористость

Основная статья: Пористость

[Слева] Высокая пористость, хорошая сортировка. [Справа] Низкая пористость, плохая сортировка.

Пористость ( n ) является непосредственно измеримым свойством водоносного горизонта; это дробь от 0 до 1, указывающая количество порового пространства между рыхлыми частицами почвы или внутри трещиноватой породы. Обычно большая часть грунтовых вод (и всего, что в них растворено) движется через пористость, доступную для течения (иногда называемую эффективной пористостью ). Проницаемость является выражением связанности пор. Например, нетрещиноватая порода может иметь высокую пористость (она имеет множество отверстий между составляющими ее зернами), но низкую проницаемость (ни одна из пор не соединена между собой). Примером этого явления является пемза , которая в неразрушенном состоянии может стать плохим водоносным горизонтом.

Пористость не влияет напрямую на распределение гидравлического напора в водоносном горизонте, но очень сильно влияет на миграцию растворенных примесей, так как влияет на скорости потока грунтовых вод обратно пропорциональной зависимостью.

Закон Дарси обычно применяется для изучения движения воды или других жидкостей через пористую среду и составляет основу многих гидрогеологических анализов.

Содержание воды

Основная статья: содержание воды

Содержание воды ( θ ) также является непосредственно измеримым свойством; это та часть всей породы, которая заполнена жидкой водой. Это также дробь от 0 до 1, но она также должна быть меньше или равна общей пористости.

Содержание воды очень важно в гидрологии вадозной зоны , где гидравлическая проводимость является сильно нелинейной функцией содержания воды; это усложняет решение уравнения движения ненасыщенных подземных вод.

Гидравлическая проводимость

Основная статья: Гидравлическая проводимость

Гидравлическая проводимость ( K ) является мерой проницаемости, которая является свойством как жидкости, так и пористой среды (т.е. гидравлическая проводимость воды и нефти не будет одинаковой, даже если они находятся в одной и той же геологической формации). Коэффициент пропускания — это произведение гидравлической проводимости и толщины водоносного горизонта (обычно используется как показатель способности водоносного горизонта доставлять воду в скважину). Собственная проницаемость ( κ ) является свойством только пористой среды и не меняется в зависимости от различных жидкостей (например, различной плотности или вязкости; она больше используется в нефтяной промышленности).

Удельное хранение и удельный выход

Основная статья: Специальное хранилище

Иллюстрация сезонных колебаний уровня грунтовых вод .

Удельный запас ( S _s ) и его интегрированный по глубине эквивалент, сохраняемость ( S=S _s b ), являются косвенными свойствами водоносного горизонта (их нельзя измерить напрямую); они указывают на количество подземных вод, высвободившихся из хранилищ в результате единичной разгерметизации напорного водоносного горизонта. Это дроби от 0 до 1.

Удельный выход ( S _y ) также представляет собой соотношение от 0 до 1 ( S _y ≤ пористость) и указывает количество воды, высвободившейся в результате дренажа в результате понижения уровня грунтовых вод в неограниченном водоносном горизонте. Значение удельного выхода меньше, чем значение пористости, поскольку некоторое количество воды останется в среде даже после дренажа из-за межмолекулярных сил. Часто пористость или эффективная пористость используется в качестве верхней границы удельного выхода. Обычно S _y на порядки больше, чем S _s .

Гидрогеология разломной зоны

Основная статья: Гидрогеология зоны разлома

Гидрогеология зоны разломов – это изучение того, как хрупко деформированные горные породы изменяют потоки флюидов в различных литологических условиях , таких как обломочные , магматические и карбонатные породы . Движение флюидов, которое можно количественно оценить как проницаемость , может быть облегчено или затруднено из-за существования зоны разлома . Это связано с тем, что различные механизмы и деформированные породы могут изменить пористость и, следовательно, проницаемость в зоне разлома. В качестве флюидов обычно используются грунтовые воды (пресные и морские воды) и углеводороды (нефть и газ). Поскольку зона разлома представляет собой зону слабости, которая помогает увеличить толщину зоны выветривания и, следовательно, способствует пополнению запасов грунтовых вод. Наряду с разломами , трещины и расслоения также способствуют прохождению грунтовых вод преимущественно в скальных ландшафтах.

Свойства переноса загрязнений

Транспорт и судьба радиоактивных примесей в поровой воде в пористой среде

Часто нас интересует, как движущиеся грунтовые воды будут переносить растворенные загрязняющие вещества (раздел гидрогеологии загрязнений). Загрязнения, которые являются искусственными (например, нефтепродукты , нитраты , хром или радионуклиды ) или природными (например, мышьяк , соленость ), могут переноситься тремя основными механизмами: адвекцией (перенос вдоль основного направления потока со скоростью просачивания). ), диффузия (миграция загрязнителя из областей с высокой концентрацией в область с низкой концентрацией) и гидродинамическая дисперсия (из-за микромасштабных неоднородностей, присутствующих в пористой среде, и неравномерного распределения скорости относительно скорости просачивания). Помимо необходимости понимать, куда текут грунтовые воды, на основании других гидрологических свойств, обсуждавшихся выше, существуют дополнительные свойства водоносного горизонта, которые влияют на то, как растворенные загрязняющие вещества движутся вместе с грунтовыми водами.

Гидродинамическая дисперсия

Гидродинамическая дисперсность (α _L , α _T ) является эмпирическим фактором, который количественно определяет, насколько загрязняющие вещества отклоняются от пути переносящих их грунтовых вод. Некоторые из загрязняющих веществ будут находиться «позади» или «перед» средними грунтовыми водами, вызывая продольную дисперсию (α _L ), а некоторые будут «по бокам» чистого адвективного потока грунтовых вод, что приводит к поперечной дисперсии ( α _Т ). Дисперсия в грунтовых водах возникает потому, что каждая водная «частица», выходя за пределы почвенной частицы, должна выбирать, куда идти: влево или вправо, вверх или вниз, чтобы водные «частицы» (и их растворенные вещества) постепенно распространялись во всех направлениях. вокруг среднего пути. Это «микроскопический» механизм в масштабе частиц почвы. Более важными на больших расстояниях могут быть макроскопические неоднородности водоносного горизонта, которые могут иметь области с большей или меньшей проницаемостью, так что часть воды может найти предпочтительный путь в одном направлении, а другая - в другом, так что загрязняющие вещества может распространяться совершенно неравномерно, как в (трехмерной) дельте реки.

Дисперсия на самом деле является фактором, отражающим недостаток информации о системе, которую мы моделируем. Существует множество мелких деталей водоносного горизонта, которые эффективно усредняются при использовании макроскопического подхода (например, крошечные пласты гравия и глины в песчаных водоносных горизонтах); они проявляются как кажущаяся дисперсия. Из-за этого часто утверждается, что α зависит от масштаба задачи — дисперсности, найденной для переноса на расстояние 1 м. ³ водоносного горизонта отличается от такового при транспорте через 1 см ³ из того же материала водоносного горизонта.

Молекулярная диффузия

Основная статья: Диффузия

Диффузия — это фундаментальное физическое явление, которое Альберт Эйнштейн охарактеризовал как броуновское движение , описывающее случайное тепловое движение молекул и мелких частиц в газах и жидкостях. Это важное явление на небольших расстояниях (оно важно для достижения термодинамического равновесия ), но, поскольку время, необходимое для покрытия расстояния путем диффузии, пропорционально квадрату самого расстояния, оно менее эффективно для распространения растворенного вещества. на макроскопических расстояниях за короткое время. Коэффициент диффузии , D , как правило, довольно мал, и его влиянием часто можно пренебречь (если только скорости потока грунтовых вод не чрезвычайно малы, как в глиняных водоемах ).

Важно не путать диффузию с дисперсией, поскольку первое — это физическое явление, а второе — эмпирический гидродинамический фактор, который принимает ту же форму, что и диффузия, поскольку это удобный способ математического описания и решения вопроса.

Замедление за счет адсорбции

Коэффициент замедления – еще одна очень важная особенность, из-за которой движение загрязняющих веществ отклоняется от среднего движения грунтовых вод. Он аналогичен замедления хроматографии . фактору В отличие от диффузии и дисперсии, которые просто распространяют загрязняющее вещество, фактор замедления изменяет его глобальную среднюю скорость , так что она может быть намного медленнее, чем у воды. Это связано с химико-физическим эффектом: адсорбцией на почве, которая удерживает загрязняющее вещество и не позволяет ему распространяться до тех пор, пока не будет адсорбировано количество, соответствующее химическому адсорбционному равновесию. Этот эффект особенно важен для менее растворимых загрязнений, которые, таким образом, могут перемещаться даже в сотни или тысячи раз медленнее, чем вода. Эффект этого явления заключается в том, что только более растворимые виды могут преодолевать большие расстояния. Коэффициент замедления зависит от химической природы как загрязнителя, так и водоносного горизонта.

История и развитие

Генри Дарси, чьи работы заложили основу количественной гидрогеологии.

Генри Дарси: 19 век.

Генри Дарси был французским учёным, который добился успехов в изучении течения жидкостей через пористые материалы. Он проводил эксперименты по изучению движения жидкостей через столбы песка. Эти эксперименты привели к определению закона Дарси , который описывает течение жидкости через среду с высоким уровнем пористости. Работа Дарси считается началом количественной гидрогеологии.

Оскар Эдвард Мейнцер: 20 век

Оскар Эдвард Мейнцер был американским учёным, которого часто называют «отцом современной гидрологии подземных вод». Он стандартизировал ключевые термины в этой области, а также определил принципы возникновения, движения и разряда. Он доказал, что течение воды подчиняется закону Дарси. Он также предложил использовать геофизические методы и самописцы на скважинах, а также предложил провести насосные испытания для сбора количественной информации о свойствах водоносных горизонтов. Мейнцер также подчеркнул важность изучения геохимии воды, а также влияния высокого уровня солености на водоносные горизонты.

Основные уравнения

Закон Дарси

Основная статья: закон Дарси

Закон Дарси — это определяющее уравнение , эмпирически выведенное Генри Дарси в 1856 году, которое гласит, что количество подземных вод, проходящих через данную часть водоносного горизонта, пропорционально площади поперечного сечения потока, гидравлическому градиенту и гидравлической проводимости .

Уравнение потока подземных вод

Основная статья: Уравнение потока подземных вод

Геометрия дренажной системы частично проникающих скважин в анизотропном слоистом водоносном горизонте

Уравнение потока подземных вод в самом общем виде описывает движение подземных вод в пористой среде (водоносных горизонтах и ​​водоупорах). Оно известно в математике как уравнение диффузии и имеет множество аналогов в других областях. Многие решения проблем потока грунтовых вод были заимствованы или адаптированы из существующих решений по теплопередаче .

Его часто получают на физической основе с использованием закона Дарси и закона сохранения массы для небольшого контрольного объема. Уравнение часто используется для прогнозирования притока в скважины , которые имеют радиальную симметрию, поэтому уравнение расхода обычно решается в полярных или цилиндрических координатах .

Уравнение Тайса является одним из наиболее часто используемых и фундаментальных решений уравнения потока подземных вод; его можно использовать для прогнозирования переходного изменения напора из-за воздействия закачки одной или нескольких насосных скважин.

Уравнение Тима представляет собой решение уравнения потока подземных вод в установившемся состоянии (уравнение Лапласа) для потока в скважину. Если поблизости нет крупных источников воды (река или озеро), истинное устойчивое состояние редко достигается в реальности.

Оба приведенных выше уравнения используются при испытаниях водоносных горизонтов (испытаниях насосов).

Уравнение Хугхудта — это уравнение потока грунтовых вод, применяемое для подземного дренажа с помощью труб, дренажных труб или канав. Альтернативным методом подземного дренажа является дренаж скважинами , для которого также доступны уравнения движения подземных вод.

Расчет расхода грунтовых вод

Относительное время перемещения грунтовых вод.

Чтобы использовать уравнение потока подземных вод для оценки распределения гидравлических напоров,или направление и скорость потока грунтовых вод, это уравнение в частных производных необходимо решить (PDE). Наиболее распространенными способами аналитического решения уравнения диффузии в гидрогеологической литературе являются:

• Преобразования Лапласа , Ханкеля и Фурье (для уменьшения количества измерений УЧП),
• Преобразование подобия (также называемое преобразованием Больцмана) обычно используется для решения Тайса , получения
• разделение переменных , что более полезно для недекартовых координат, и
• Функции Грина , которые являются еще одним распространенным методом получения решения Тайса — от фундаментального решения к уравнению диффузии в свободном пространстве.

Независимо от того, какой метод мы используем для решения уравнения потока подземных вод , нам нужны оба начальных условия:(напоры в момент времени ( t ) = 0) и граничные условия (представляющие либо физическоеграницы области или приближение области за ее пределамиточка). Часто начальные условия доводятся до переходного режима.моделирование с помощью соответствующего стационарного моделирования (где времяпроизводная в уравнении потока подземных вод принимается равной 0).

Есть две широкие категории того, как (PDE) будет решена; или аналитические методы, численные методы или что-то среднее между ними. при упрощенном наборе условий Обычно аналитические методы решают уравнение потока подземных вод точно , тогда как численные методы решают его при более общих условиях с приближением .

Аналитические методы

структуру Аналитические методы обычно используют математическую для достижения простого и элегантного решения, но требуемый вывод для всех геометрий области, кроме простейших, может быть довольно сложным (включая нестандартные координаты , конформное отображение и т. д.). Аналитические решения обычно представляют собой просто уравнение, которое может дать быстрый ответ на основе нескольких основных параметров. Уравнение Тайса — это очень простое (но все же очень полезное) аналитическое решение уравнения потока грунтовых вод , которое обычно используется для анализа результатов испытаний водоносного горизонта или пробковых испытаний .

Численные методы

Тема численных методов довольно обширна и, очевидно, может быть использована в большинстве областей техники и науки в целом. Численные методы существуют гораздо дольше, чем компьютеры (в 1920-х годах Ричардсон разработал некоторые из схем конечных разностей, которые используются до сих пор, но они были рассчитаны вручную, с использованием бумаги и карандаша, человеческими «калькуляторами»), но они стали очень важно благодаря наличию быстрых и дешевых персональных компьютеров . Краткий обзор основных численных методов, используемых в гидрогеологии, а также некоторые из наиболее основных принципов показаны ниже и дополнительно обсуждаются в статье «Модель подземных вод» .

Существует две широкие категории численных методов: сеточные или дискретные методы и несеточные или бессеточные методы. В обычном методе конечных разностей и методе конечных элементов (МКЭ) область полностью разбита на сетку («разрезана» на сетку или сетку из мелких элементов). Метод аналитических элементов (AEM) и метод граничных интегральных уравнений (BIEM — иногда также называемый BEM или метод граничных элементов) дискретизируются только на границах или вдоль элементов потока (линейные стоки, площадные источники и т. д.), большинство домен не содержит сетки.

Общие свойства сеточных методов

Сеточные методы, такие как методы конечных разностей и методы конечных элементов , решают уравнение потока подземных вод, разбивая проблемную область (область) на множество мелких элементов (квадраты, прямоугольники, треугольники, блоки, тетраэдры и т. д.) и решая уравнение потока для каждого элемента (все свойства материала предполагаются постоянными или, возможно, линейно переменными внутри элемента), а затем связываются вместе все элементы, используя сохранение массы через границы между элементами (аналогично теореме о дивергенции ). В результате получается система, которая в целом приближается к уравнению потока подземных вод, но точно соответствует граничным условиям (напор или поток задаются в элементах, пересекающих границы).

Конечные разности — это способ представления непрерывных дифференциальных операторов с использованием дискретных интервалов ( ∆x и ∆t ), и на них основаны методы конечных разностей (они получены из ряда Тейлора ). Например, производная по времени первого порядка часто аппроксимируется с использованием следующей прямой конечной разности, где нижние индексы указывают дискретное местоположение во времени:

${\frac {\partial h}{\partial t}}=h'(t_{i})\approx {\frac {h_{i}-h_{i-1}}{\Delta t}}.$

Прямое конечно-разностное приближение безусловно устойчиво, но приводит к неявному набору уравнений (который необходимо решать с использованием матричных методов, например LU или разложения Холецкого ). Подобная обратная разница только условно стабильна, но она явна и может использоваться для «марша» вперед во времени, решая один узел сетки за раз (или, возможно, параллельно , поскольку один узел зависит только от своих непосредственных соседей) . Вместо метода конечных разностей иногда в пространстве используется приближение Галеркина FEM (это отличается от типа FEM, часто используемого в проектировании конструкций ), при этом конечные разности все еще используются во времени.

Применение конечно-разностных моделей

MODFLOW — это хорошо известный пример общей конечно-разностной модели потока подземных вод. Он разработан Геологической службой США как модульный и расширяемый инструмент моделирования потока подземных вод. Это бесплатное программное обеспечение , разработанное, документированное и распространяемое Геологической службой США. На его основе выросло множество коммерческих продуктов, предоставляющих графические пользовательские интерфейсы для интерфейса на основе входных файлов и обычно включающие предварительную и последующую обработку пользовательских данных. Многие другие модели были разработаны для работы с входными и выходными данными MODFLOW, что делает возможными связанные модели, которые имитируют несколько гидрологических процессов (модели потока и переноса, вод модели поверхностных и подземных , а также модели химических реакций) из-за простой и хорошо документированной природы MODFLOW. .

Применение моделей конечных элементов

Программы конечных элементов более гибки по конструкции (треугольные элементы по сравнению с блочными элементами, которые используются в большинстве конечно-разностных моделей), и есть некоторые доступные программы (SUTRA, 2D или 3D модель потока, зависящая от плотности от Геологической службы США; Hydrus , коммерческая модель ненасыщенного потока). модель FEFLOW , коммерческая среда моделирования подземных потоков, процессов переноса растворенных веществ и тепла OpenGeoSys, научный проект с открытым исходным кодом для термогидромеханохимических (THMC) процессов в пористых и трещиноватых средах; COMSOL Multiphysicals (коммерческая среда общего моделирования), FEATool Multiphysicals (простой в использовании набор инструментов для моделирования MATLAB) и Integrated Water Flow Model (IWFM), но они до сих пор не так популярны среди практикующих гидрогеологов, как MODFLOW. Модели конечных элементов более популярны в университетских и лабораторных условиях, где специализированные модели решают нестандартные формы уравнения потока ( ненасыщенный поток, поток, зависящий от плотности , связанный тепла поток и грунтовых вод и т. д.).

Применение моделей конечного объема

Метод конечных объемов — это метод представления и оценки уравнений в частных производных как алгебраических уравнений. Подобно методу конечных разностей, значения вычисляются в дискретных местах сетчатой ​​геометрии. «Конечный объем» относится к небольшому объему, окружающему каждую узловую точку сетки. В методе конечных объемов объемные интегралы в уравнении в частных производных, содержащие член дивергенции, преобразуются в поверхностные интегралы с использованием теоремы о дивергенции. Эти члены затем оцениваются как потоки на поверхностях каждого конечного объема. Поскольку поток, входящий в данный объем, идентичен потоку, выходящему из соседнего объема, эти методы являются консервативными. Еще одним преимуществом метода конечных объемов является то, что его легко сформулировать для учета неструктурированных сеток. Этот метод используется во многих пакетах вычислительной гидродинамики.

Пакет программного обеспечения PORFLOW представляет собой комплексную математическую модель для моделирования потоков грунтовых вод и управления ядерными отходами, разработанную Analytic & Computational Research, Inc., ACRi.

Пакет программного обеспечения FEHM доступен бесплатно в Национальной лаборатории Лос-Аламоса . Этот универсальный симулятор пористого потока включает в себя возможности моделирования многофазной, термической, напряженной и многокомпонентной реактивной химии. Текущая работа с использованием этого кода включает моделирование образования гидрата метана , CO ₂ секвестрации , добычи сланца , миграции как ядерных, так и химических загрязнителей, миграции изотопов окружающей среды в ненасыщенной зоне и образования карста .

Другие методы

К ним относятся бессеточные методы, такие как метод аналитических элементов (AEM) и метод граничных элементов (BEM), которые ближе к аналитическим решениям, но они в некотором роде аппроксимируют уравнение потока подземных вод. BEM и AEM точно решают уравнение потока подземных вод (идеальный баланс массы), аппроксимируя при этом граничные условия. Эти методы более точны и могут представлять собой гораздо более элегантные решения (как и аналитические методы), но пока не получили широкого распространения за пределами академических и исследовательских групп.

Водяные скважины

Водяной колодец — это механизм для поднятия грунтовых вод на поверхность путем бурения или рытья и поднятия их на поверхность с помощью насоса или вручную с использованием ведер или аналогичных устройств. Первый исторический пример водяных колодцев произошел в 52 веке до нашей эры на территории современной Австрии . Сегодня колодцы используются по всему миру, от развивающихся стран до пригородов США.

Существует три основных типа колодцев: мелкие, глубокие и артезианские. Неглубокие колодцы впадают в неограниченные водоносные горизонты и, как правило, неглубокие, глубиной менее 15 метров. Неглубокие колодцы имеют небольшой диаметр, обычно менее 15 сантиметров. Глубокие скважины имеют доступ к замкнутым водоносным горизонтам и всегда бурятся машинами. Все глубокие колодцы доставляют воду на поверхность с помощью механических насосов. В артезианских скважинах вода течет естественным путем, без использования насоса или другого механического устройства. Это связано с тем, что верхняя часть колодца расположена ниже уровня грунтовых вод.

Проектирование и строительство скважин на воду

Колодец в Керале , Индия .

Одним из наиболее важных аспектов инженерии и гидрогеологии подземных вод является проектирование и строительство водяных скважин. Правильное проектирование и строительство колодца важно для поддержания здоровья грунтовых вод и людей, которые будут пользоваться колодцем. Факторы, которые необходимо учитывать при проектировании скважины:

• Надежный водоносный горизонт, обеспечивающий непрерывную подачу воды
• Качество доступных подземных вод
• Как следить за колодцем
• Эксплуатационные расходы скважины
• Ожидаемый дебит скважины
• Любое предварительное бурение в водоносный горизонт

При планировании и строительстве новой водяной скважины следует учитывать пять основных областей, а также факторы, указанные выше. Они есть:

• Пригодность водоносного горизонта
• «Аспекты проектирования скважин
• Методы бурения скважин
• Проектирование и разработка фильтров для колодцев
• Ну тестирование"

Пригодность водоносного горизонта начинается с определения возможных местоположений скважины с использованием « отчетов Геологической службы США , каротажных диаграмм и поперечных разрезов» водоносного горизонта. Эту информацию следует использовать для определения свойств водоносного горизонта, таких как глубина, толщина, пропускаемость и дебит скважины. На этом этапе также следует определить качество воды в водоносном горизонте и провести проверку на наличие загрязнений.

После определения таких факторов, как глубина и дебит скважины, необходимо определить конструкцию скважины и подход к бурению. Метод бурения выбирается исходя из «почвенных условий, глубины скважины, конструкции и стоимости». На этом этапе составляется смета расходов и корректируются планы с учетом потребностей бюджета.

К важным частям скважины относятся скважинные уплотнения, обсадные трубы или вкладыши, приводные башмаки, фильтры скважины в сборе и песчаная или гравийная набивка (дополнительно). Каждый из этих компонентов гарантирует, что скважина будет получать воду только из одного водоносного горизонта, и ни на каком этапе процесса не произойдет утечек.

Существует несколько методов бурения, которые можно использовать при строительстве водяной скважины. К ним относятся: методы бурения «канатным инструментом», пневматическим роторным бурением, буровым ротором и двойным роторным бурением с обратной циркуляцией с затоплением. Бурение с помощью канатного инструмента стоит недорого и может использоваться для всех типов скважин, но его центрирование необходимо постоянно проверять, и оно имеет низкую скорость продвижения. Это неэффективный метод бурения консолидированных пластов, но он обеспечивает небольшую площадь бурения. Воздушно-вращательное бурение экономически эффективно и хорошо подходит для консолидированных пластов. Он имеет высокую скорость продвижения, но не подходит для скважин большого диаметра. Роторное бурение с буровым раствором особенно экономически эффективно для глубоких скважин. Он обеспечивает хорошее выравнивание, но требует большей площади. У него очень высокая скорость продвижения. Двойное роторное бурение с обратной циркуляцией обводненного типа обходится дороже, но подходит для скважин большого размера. Он универсален и сохраняет выравнивание. Имеет высокую скорость продвижения.

Экраны скважин гарантируют, что на поверхность выходит только вода, а осадки остаются под поверхностью Земли. Вдоль ствола колодца устанавливаются сетки для фильтрации осадка по мере того, как вода выкачивается на поверхность. На конструкцию сит может влиять характер почвы, а для максимизации эффективности можно использовать натуральные конструкции насадок.

После строительства скважины необходимо провести испытания для оценки продуктивности, эффективности и дебита скважины, а также определения воздействия скважины на водоносный горизонт. На скважине необходимо провести несколько различных испытаний, чтобы проверить все соответствующие качества скважины.

Проблемы инженерии подземных вод и гидрогеологии

Загрязнение

Загрязнение подземных вод происходит, когда другие жидкости просачиваются в водоносный горизонт и смешиваются с существующими подземными водами. Пестициды, удобрения и бензин являются распространенными загрязнителями водоносных горизонтов. Подземные резервуары для хранения химикатов, таких как бензин, являются особенно опасными источниками загрязнения грунтовых вод. Поскольку эти резервуары подвергаются коррозии, они могут протекать, а их содержимое может загрязнять близлежащие грунтовые воды. В зданиях, которые не подключены к системе очистки сточных вод , можно использовать септики для безопасной утилизации отходов. Если септики построены или не обслуживаются должным образом, из них могут возникнуть утечки бактерий, вирусов и других химикатов в окружающие грунтовые воды. Свалки являются еще одним потенциальным источником загрязнения подземных вод. Когда мусор закапывают, вредные химические вещества могут мигрировать из мусора в окружающие грунтовые воды, если защитный базовый слой треснет или иным образом поврежден. Другие химикаты, такие как дорожная соль и химикаты, используемые на газонах и фермах, могут попасть в местные водоемы и, в конечном итоге, в водоносные горизонты. Когда вода проходит круговорот воды, загрязняющие вещества в атмосфере могут загрязнять воду. Эта вода также может попасть в грунтовые воды.

Споры

гидроразрыв

Загрязнение подземных вод из-за гидроразрыва давно обсуждается. Поскольку химические вещества, обычно используемые при гидроразрыве пласта, не проверяются государственными учреждениями, ответственными за определение воздействия гидроразрыва на грунтовые воды, лабораториям Агентства по охране окружающей среды США (EPA) сложно определить, присутствуют ли химические вещества, используемые при гидроразрыве, в близлежащих водоносных горизонтах. . В 2016 году Агентство по охране окружающей среды опубликовало отчет, в котором говорится, что питьевая вода может быть загрязнена в результате гидроразрыва. Это было изменением их предыдущей политики после исследования влияния гидроразрыва на местную питьевую воду стоимостью 29 миллионов долларов.

Калифорния

В Калифорнии наблюдаются одни из крупнейших противоречий в использовании подземных вод из-за засушливых условий, с которыми сталкивается Калифорния, высокой численности населения и интенсивного сельского хозяйства. Конфликты обычно возникают из-за откачки грунтовых вод и их вывоза за пределы территории, несправедливого использования воды коммерческой компанией и загрязнения грунтовых вод проектами развития. В округе Сискию на севере Калифорнии Верховный суд Калифорнии постановил, что ненадлежащее регулирование грунтовых вод позволило откачать воду, чтобы уменьшить сток реки Скотт и нарушило естественную среду обитания лосося. В долине Оуэнс в центральной Калифорнии грунтовые воды были откачаны для использования на рыбных фермах, что привело к гибели местных лугов и других экосистем. Это привело к судебному иску и урегулированию спора против рыбных компаний. Развитие южной Калифорнии ставит под угрозу местные водоносные горизонты, загрязняя грунтовые воды в результате строительства и обычной человеческой деятельности. Например, проект солнечной энергетики в округе Сан-Бернардино предположительно поставит под угрозу экосистему птиц и диких животных из-за использования до 1,3 миллиона кубических метров подземных вод, что может повлиять на Харпер Лейк . В сентябре 2014 года Калифорния приняла Закон об устойчивом управлении подземными водами , который требует от пользователей надлежащим образом управлять подземными водами, поскольку они связаны с системами поверхностных вод.

Колорадо

Из-за засушливого климата штат Колорадо получает большую часть воды из-под земли. Из-за этого возникли проблемы, связанные с методами проектирования подземных вод. Около 65 000 человек пострадали, когда в водоносном горизонте Уайдфилд были обнаружены высокие уровни ПФУ. Использование подземных вод в Колорадо началось еще в начале 20 века. Девятнадцать из 63 округов Колорадо в основном зависят от подземных вод для снабжения и бытового использования. Геологическая служба Колорадо располагает тремя важными отчетами о подземных водах в бассейне Денвера. Первый отчет «Геология слоев верхнего мела, палеоцена и эоцена в юго-западном бассейне Денвера», второй отчет «Геология, структура и изопахитовые карты коренных пород от слоев верхнего мела до палеогена между Грили и Колорадо-Спрингс», третья публикация «Поперечные сечения пресной воды» Несущие пласты бассейна Денвера между Грили и Колорадо-Спрингс.

Новые тенденции в инженерии подземных вод/гидрогеологии

С тех пор, как первые колодцы были пробурены тысячи лет назад, системы подземных вод претерпели изменения в результате деятельности человека. Пятьдесят лет назад устойчивость этих систем в более широком масштабе стала приниматься во внимание, став одним из основных направлений проектирования подземных вод. Новые идеи и исследования продвигают инженерию подземных вод в 21 век, при этом все еще учитывая необходимость сохранения подземных вод.

Топографическое картографирование

Новые достижения появились в топографическом картографировании для повышения устойчивости. Топографические карты были обновлены и теперь включают в себя радар, который может проникать под землю и помогать точно определять проблемные зоны. Кроме того, в крупных вычислениях можно использовать данные, собранные с карт, для дальнейшего изучения водоносных горизонтов подземных вод за последние годы. Это сделало возможными весьма сложные и индивидуализированные модели водного цикла, что помогло сделать устойчивость подземных вод более применимой к конкретным ситуациям.

Роль технологий

Технологические усовершенствования позволили усовершенствовать топографическое картографирование, а также улучшить качество моделирования литосферы, гидросферы, биосферы и атмосферы. Эти симуляции полезны сами по себе; однако при совместном использовании они помогают дать еще более точный прогноз будущей устойчивости региона и того, какие изменения можно внести для обеспечения стабильности в этом районе. Это было бы невозможно без развития технологий. По мере развития технологий точность моделирования будет возрастать и позволит проводить более сложные исследования и проекты в области инженерии подземных вод.

Растущее население

Поскольку население продолжает расти, районы, которые использовали подземные воды устойчивыми темпами, теперь начинают сталкиваться с проблемами устойчивости в будущем. Население такого размера, которое сейчас наблюдается в крупных городах, не принималось во внимание при оценке долгосрочной устойчивости водоносных горизонтов. Столь большая численность населения начинает создавать нагрузку на запасы подземных вод. Это привело к необходимости принятия новой политики в некоторых городских районах. Они известны как упреждающее управление землепользованием, когда города могут активно действовать для сохранения грунтовых вод.

В Бразилии перенаселение привело к тому, что муниципальная вода закончилась. Из-за нехватки воды люди начали бурить колодцы в пределах зоны, обычно обслуживаемой городской системой водоснабжения. Это было решение для людей с высоким социально-экономическим положением, но оставило большую часть малоимущего населения без доступа к воде. Из-за этого была создана новая муниципальная политика, согласно которой бурение скважин осуществлялось для помощи тем, кто не мог позволить себе бурить скважины самостоятельно. Поскольку город отвечает за бурение новых скважин, они могут лучше планировать будущую устойчивость грунтовых вод в регионе, тщательно размещая скважины и принимая во внимание растущее население.

Зависимость от подземных вод в Соединенных Штатах

В Соединенных Штатах 51% питьевой воды поступает из подземных вод. Около 99% сельского населения зависит от подземных вод. Кроме того, 64% общего объема подземных вод страны используется для орошения, а часть из них используется для промышленных процессов и пополнения озер и рек. В 2010 году 22 процента пресной воды, используемой в США, поступали из подземных вод, а остальные 78 процентов — из поверхностных вод. Грунтовые воды важны для некоторых штатов, которые не имеют доступа к пресной воде. большая часть пресных подземных вод (65 процентов) используется для орошения, а 21 процент используется в основном для питьевых целей.

См. также

• Экологическая инженерия - это широкая категория, к которой относится гидрогеология;
• Flownet — это инструмент анализа установившегося потока;
• Энергетический баланс подземных вод : уравнения потока подземных вод, основанные на энергетическом балансе;
• Гидрогеология зоны разломов : область, специально анализирующая гидрогеологию зон разломов.
• Гидрогеофизика : область, объединяющая гидрогеологию с геофизикой.
• Гидрология (сельское хозяйство)
• Изотопная гидрология часто используется для понимания источников и времени распространения в системах подземных вод;
• Список важных публикаций по геологии#Гидрогеология : важные публикации;
• Оскар Эдвард Мейнцер считается «отцом современной гидрологии подземных вод»;
• SahysMod — это пространственная модель агро-гидро-засоленности с потоком подземных вод в полигональной сети;
• Родник (гидрология) и водопроводная сеть — предметы, волнующие гидрогеолога;
• Водный цикл , гидросфера и водные ресурсы — это более широкие концепции, частью которых является гидрогеология.
• Прибрежная гидрогеология

Дальнейшее чтение

Общая гидрогеология

• Доменико П.А. и Шварц В., 1998. физической и химической гидрогеологии Второе издание , Wiley. — Хорошая книга для консультантов, в ней много примеров из реальной жизни и раскрыты дополнительные темы (например, тепловой поток, многофазный и ненасыщенный поток). ISBN   0-471-59762-7
• Дрисколл, Флетчер, 1986. Грунтовые воды и колодцы , Фильтры США / Фильтры Джонсона. — Практическая книга, иллюстрирующая реальный процесс бурения, разработки и использования водяных скважин, но это профессиональная книга, поэтому часть материала ориентирована на продукцию, производимую Johnson Well Screens. ISBN   0-9616456-0-1
• Фриз, Р.А. и Черри, Дж.А., 1979. Грунтовые воды , Прентис-Холл. — Классический текст; как старая версия Доменико и Шварца. ISBN   0-13-365312-9
• де Марсили, Г., 1986. Количественная гидрогеология: гидрология подземных вод для инженеров , Academic Press, Inc., Орландо, Флорида. — Классическая книга, предназначенная для инженеров с математическим образованием, но ее могут читать также гидрологи и геологи. ISBN   0-12-208916-2
• Ламоро, Филип Э.; Таннер, Джуди Т., ред. (2001), Источники и бутилированная вода мира: древняя история, источник, возникновение, качество и использование , Берлин, Гейдельберг, Нью-Йорк: Springer-Verlag, ISBN  3-540-61841-4 Хороший, доступный обзор гидрогеологических процессов.
• Поргес, Роберт Э. и Хаммер, Мэтью Дж., 2001. Справочник по гидрогеологии , Национальная ассоциация подземных вод, ISBN   1-56034-100-9 . Это всеобъемлющее руководство, написанное практикующими гидрогеологами, представляет собой краткий и простой в использовании справочник по гидрологическим терминам, уравнениям, соответствующим физическим параметрам и аббревиатурам.
• Тодд, Дэвид Кейт, 1980. Гидрология подземных вод, второе издание, John Wiley & Sons. — Тематические исследования и реальные проблемы с примерами. ISBN   0-471-87616-X
• Феттер, CW Загрязняющая гидрогеология, второе издание, Прентис Холл. ISBN   0-13-751215-5
• Феттер, C.W. Прикладная гидрогеология, четвертое издание, Прентис Холл. ISBN   0-13-088239-9

Численное моделирование подземных вод

• Андерсон, Мэри П. и Весснер, Уильям В., 1992 г., «Прикладное моделирование подземных вод» , Academic Press. — Введение в моделирование подземных вод немного устарело, но методы все еще весьма применимы. ISBN   0-12-059485-4
• Андерсон, Мэри П. , Весснер, Уильям В., и Хант, Рэндалл Дж., 2015, Прикладное моделирование подземных вод, 2-е издание , Academic Press. — Обновляет первое издание новыми примерами, новым материалом, касающимся калибровки модели и неопределенности, а также онлайн-скриптами Python ( https://github.com/Applied-Groundwater-Modeling-2nd-Ed ). ISBN   978-0-12-058103-0
• Чанг, В.-Х., Кинзельбах, В., Рауш, Р. (1998): Имитационная модель водоносного горизонта для WINdows – моделирование потока и переноса подземных вод, интегрированная программа. - 137 с., 115 рис., 2 таб., 1 CD-ROM; Берлин, Штутгарт (Борнтрегер). ISBN   3-443-01039-3
• Эланго Л. и Джаякумар Р. (редакторы) (2001) Моделирование в гидрогеологии, публикация ЮНЕСКО-МГП, Allied Publ., Ченнаи, ISBN   81-7764-218-9
• Рауш, Р., Шефер В., Терриен, Р., Вагнер, К., 2005 г. Моделирование переноса растворенных веществ – введение в модели и стратегии решения. - 205 с., 66 рис., 11 табл.; Берлин, Штутгарт (Борнтрегер). ISBN   3-443-01055-5
• Раштон, К.Р., 2003 г., Гидрология подземных вод: концептуальные и вычислительные модели . Джон Уайли и сыновья, ООО. ISBN   0-470-85004-3
• Ван Х.Ф., Теория линейной пороупругости с приложениями к геомеханике и гидрогеологии, Princeton Press, (2000).
• Уолтэм Т., Основы инженерной геологии, 2-е издание, Тейлор и Фрэнсис (2001).
• Чжэн, К., и Беннетт, Г.Д., 2002, Прикладное моделирование переноса загрязняющих веществ, второе издание, John Wiley & Sons. ISBN   0-471-38477-1

Аналитическое моделирование подземных вод

• Хайтьема, Хенк М. , 1995. Аналитическое элементное моделирование потока подземных вод , Academic Press. — Введение в методы аналитического решения, особенно в метод аналитических элементов (АЭМ). ISBN   0-12-316550-4
• Харр, Милтон Э., 1962. Грунтовые воды и просачивание , Дувр. — более гражданский подход к грунтовым водам; включает в себя много информации о потоках . ISBN   0-486-66881-9
• Ковач, Дьёрдь, 1981. Гидравлика просачивания , Развитие науки о воде; 10. Эльзевир. - конформное отображение . Хорошо объяснено ISBN   0-444-99755-5 , ISBN   0-444-99755-5 (серия)
• Ли, Тянь-Чанг, 1999. Прикладная математика в гидрогеологии , CRC Press. — Отличное объяснение математических методов, используемых при поиске решений гидрогеологических задач (перенос растворов, задачи конечных элементов и обратные задачи). ISBN   1-56670-375-1
• Лиггетт, Джеймс А. и Лю, Филлип Л.Ф., 1983. Метод граничного интегрального уравнения для потока пористых сред , Джордж Аллен и Анвин, Лондон. — Книга по BIEM (иногда называемая BEM) с примерами, она представляет собой хорошее введение в метод. ISBN   0-04-620011-8

• Фиттс, CR (2010). «Моделирование систем водоносных горизонтов с аналитическими элементами и подобластями». Исследования водных ресурсов . 46 (7). Бибкод : 2010WRR....46.7521F . дои : 10.1029/2009WR008331 . S2CID   130977774 .

Внешние ссылки

• Международная ассоциация гидрогеологов — всемирная ассоциация специалистов по подземным водам.
• Форум по грунтовым водам Великобритании — Подземные воды в Великобритании
• Центр исследований подземных вод — Образование и исследования подземных вод.
• Стандарты питьевой воды Агентства по охране окружающей среды — максимальные уровни загрязнения (mcl) растворенных веществ в питьевой воде в США.
• Домашняя страница водных ресурсов Геологической службы США — хорошее место, где можно найти бесплатные данные (как о поверхностных, так и о подземных водах США) и бесплатное программное обеспечение для моделирования подземных вод, такое как MODFLOW .
• Индекс TWRI Геологической службы США — серия учебных пособий, охватывающих общие процедуры в гидрогеологии. Они находятся в свободном доступе в Интернете в виде PDF-файлов.
• Международный центр моделирования подземных вод (IGWMC). Архивировано 9 декабря 2008 г. в Wayback Machine — образовательном репозитории программного обеспечения для моделирования подземных вод, который предлагает поддержку большинства программ, часть из которых бесплатна.
• «Капсула времени гидрогеолога» — видеосборник интервью выдающихся гидрогеологов, которые существенно изменили профессию.
• Международный центр оценки ресурсов подземных вод IGRAC
• Геопространственный центр армии США — для получения информации о поверхностных и подземных водах OCONUS.