Изменения упругого состояния водоносных горизонтов

Как известно, фиксируемые режимными наблюдениями колебания уровней подземных вод могут определяться либо изменениями баланса водоносного горизонта, либо изменениями упругого состояния водоносных горизонтов, не связанного с питанием или разгрузкой подземных вод. Изучению последних явлений в зарубежных гидрогеологических исследованиях уделяется довольно много внимания. Связано это как со стремлением отделить истинные колебания уровней подземных вод, отражающие изменения в балансе подземных вод, от фиктивных, так и с попытками использовать фиктивные колебания для определения различных гидрогеологических параметров, не проводя для этого специальных дорогостоящих опытных полевых или лабораторных работ.

Изменения упругого состояния водоносного горизонта могут быть обусловлены резкими порывами ветра, изменениями атмосферного давления, земными и океаническими приливами, различными искусственными нагрузками, а также землетрясениями.

Резкие порывы ветра образуют кратковременное разряжение атмосферного давления в устье скважины (как бы высасывая воздух из ее ствола и образуя в нем вакуум), что приводит к резкому, до 5 см, повышению уровней воды в скважинах (рис. 14). После каждого такого порыва ветра уровни воды в скважинах восстанавливаются. Наиболее существенны подобные колебания во время ураганных ветров.

Более существенны по амплитудам и продолжительности колебания, вызываемые изменениями атмосферного давления. Проявляются они в напорных водоносных горизонтах, где увеличение атмосферного давления приводит к снижению уровней воды в скважине.

Изменения уровней подземных вод и дебитов источников под влиянием атмосферного давления впервые были отмечены в 1917 г. в Швейцарии Шейхцером. Впоследствии аналогичные связи фиксировали многие исследователи (Стрингфельд, Пенман, Хартельери, Араго, Бромейс, Лерш, Кребс, Кинг и др.).

Отношение изменения величины уровня воды в свкажине Ah к величине изменения атмосферного давления APа названо Ц. Джекобом барометрической эффективностью (В=уАh/APa, ult у — плотность воды). Барометрическая эффективность изменяется от 30 до 80%, а колебания уровней подземных вод, вызванные изменением атмосферного давления, могут достигать 30 см.

Вес перекрывающих пород и атмосферное давление оказывают на водоносный горизонт давление Pа, которому противостоит давление подземных вод Pw и реактивное давление пород P т. е. Pa = Pw + Ps. Увеличение давления на APa вызывает увеличение напряжения скелета водоносных горизонтов APs и увеличение давления воды APw, т. е, APa=APw+APs. При наличии открытой скважины увеличение атмосферного давления передастся через воду в скважине, выжимая ее из ствола в водоносный горизонт до тех пор, пока оно не будет уравновешено противодействующим давлением. Величина изменения уровней определяется упругими свойствами воды и пласта и поэтому изменения объема воды и скелета водоносного горизонта под влиянием изменения давления выражаются соответственно

а барометрическая эффективность отсюда B = aEs/(aEs+Ew), где Ew и Es — модули упругого сжатия воды и скелета пород; а — пористость.

Барометрическая эффективность является константой для водоносного горизонта и отражает меру способности перекрывающих разделяющих слоев сопротивляться изменениям давления. Мощные разделяющие перекрывающие слои характеризуются высокой барометрической эффективностью, а слабо изолированные горизонты — низкими ее значениями.

Изменения уровня подземных вод под влиянием атмосферного давления учитываются при приведении этих уровней к нормальному давлению. Для этого используется статистический анализ приращений уровней при различных изменениях давлений.

Барометрическая эффективность связана с коэффициентом упругоемкости пласта в и упругой водоотдачей водоносного горизонта u соотношениями

где m — мощность водоносного горизонта.

Таким образом, при известной пористости пластов по величине B и константе Ew можно определить u*, или, наоборот, определив по данным откачек u*, можно оценить пористость водовмещающих пород.

При определенных погодных условиях атмосферное давление влияет и на грунтовые воды. Отмечено, что летом в течение суток положение уровня грунтовых вод изменяется на 1,5—6 см, а зимой на 0,5—1,0 см. При этом основное влияние на колебания уровня грунтовых вод в зернистых породах оказывает изменение давления в капиллярной кайме. При повышении давления вода поступает из капиллярной каймы в пласт, а при снижении наблюдается обратный процесс, что подтверждено и лабораторными опытами в колонках.

Океанические приливы воздействуют на грунтовые и напорные воды по-разному. Два раза в сутки приливы поднимают уровни воды в океане до 18 м и тем самым создают подпор грунтовых вод в прибрежных частях. Колебания уровней грунтовых вод в зоне такого подпора повторяют колебания океана со сдвигом во времени и уменьшением амплитуд по мере удаления от побережья при сохранении длины периода колебаний. Величина колебаний уровней грунтовых вод в зоне подпора оценивается во уравнению Форхгеймера:

где h — отклонение от среднего уровня подземных вод в момент времени t на расстоянии х от берега океана; h0 — отклонение от среднего уровня воды в океане; u — водоотдача пород; k — коэффициент фильтрации; hcp — средняя мощность водоносного горизонта; t0 — половина периода колебания воды в океане.

Максимальная амплитуда колебаний уровней отсюда может быть выражена через

а время запаздывания максимума в грунтовых водах по сравнению с максимумом в прибрежной части океана через

Неоднократно отмечалось, что влияние амплитуд океанических приливов проявляется наиболее сильно в прибрежных частях водоносных горизонтов, где оно в скважинах достигает 50% и более, и затухает до 3% на удаленных от моря участках. Влияние приливов проявляется не только в колебаниях уровней подземных вод, но и в изменениях их химического состава.

В напорных водах, не имеющих непосредственной гидравлической связи с океаном, океанические приливы н отливы воздействуют на водоносный горизонт аналогично атмосферному давлению, т. е. изменяют упругое состояние пласта путем увеличения и снятия нагрузки. Соотношение изменений напора водоносного горизонта (Ah), происшедшее под влиянием изменений давления на пласт в результате изменения уровня воды в океане AP названо Ц. Джекобом приливной эффективностью С, т. е. С=уAh/АР. Аналогичные изменения вызывают и морские ветры, которые могут поднять уровни воды в океане до 2 м, во время сильных штормов до 6 м, а во время цунами в отдельных бухтах до 10 м и более. Ц. Джекоб еще в 1940 г. показал, что приливная эффективность связана с барометрической соотношением C=1—В, а следовательно C=Ew(aEs+Ew).

Исследование приливно-отливных эффектов в водоносных горизонтах, связанных с морем, методом гармонического анализа показало, что экстремальные положения уровней подземных вод имеют период в 745 мин.

Взаимосвязь морских и подземных вод в прибрежных зонах может проявляться не только в виде передачи напора, т. е. изменения упругого состояния водоносного горизонта, но также — в изменении баланса подземных вод, а следовательно, и в режиме их химического состава. Во время прилива морские воды могут проникать в глубь берега, особенно в условиях карста, до 5 км. Смешение пресных и соленых вод в этих случаях приводит к синхронным с приливами полусуточным колебаниям, не только уровня, но и химического состава. При достаточно большом градиенте потока, когда прилив создает лишь его подпор, такие колебания асинхронны с приливами. В результате подпора в этих случаях в подземных коллекторах происходит накопление подземных вод, что приводит к увеличению их давления и отжатию морских вод. Доля пресной составляющей в эти моменты в прибрежных родниках возрастает.

Колебания пьезометрических уровней обусловливаются также искусственными нагрузками, например прохождением поездов. Так, отмечены изменения уровней напорных вод в одной из скважин, расположенной рядом с железнодорожной станцией. На графиках четко фиксируются периоды подхода, остановки и ухода поезда, что определяется увеличением нагрузки на скелет водовмещающих пород с приходом поезда и выдавливанием из них подземных вод через скважину.

Влияние притяжения Луны (земные приливы) на подземные воды проявляется также преимущественно в напорных водах. В результате воздействия сил притяжения происходит растяжение земной коры в точках, соответствующих верхней и нижней кульминациям, что приводит к уменьшению давления в водоносных горизонтах, увеличению норового пространства и, следовательно, к снижению уровней подземных вод. Амплитуды колебаний уровней подземных вод в этих случаях невелики и составляют всего 3—10 см. На рис. 15 приведены характерные примеры колебаний уровней подземных вод под влиянием притяжения Луны. Такие графики имеют циклический характер с двумя подъемами в сутки, совпадающими с прохождением Луны верхнего и нижнего кульминационных ее положений со сдвигом колебаний на 50 мин/сут, соответствующим аналогичному сдвигу прохождения Луны. Периоды наибольших колебаний совпадают с периодами полнолуния и новолуния, особенно в периоды полнолуния, когда силы притяжения Луны и Солнца действуют в одном направлении, а наименьшие — с периодами первой и третьей четвертей Луны, когда эти силы взаимно перпендикулярны. Таким образом, помимо суточной и полусуточной цикличности в этих колебаниях отмечается также 28-суточная и менее четкая, 14-суточная цикличности.

Колебания уровней подземных вод, вызываемые земными приливами, также используются для определения коэффициента упругой водоотдачи и пористости пород по принципу учета барометрического эффекта. Установлено, что полученные таким путем значения водоотдачи и пористости несколько выше таковых, полученных по данным опытных откачек, что связывается с неточностью выполненных измерений и оценки барометрического эффекта. Влияние земных приливов в отдельных случаях проявляется даже более четко, чем влияние атмосферных осадков и давления.