В. А. Мироненко динамика ползших поп московский

1
Между тем, во многих практических задачах не мень­ший интерес представляют проблемы, связанные с движе­нием вод разного состава, с оценками изменения качества или температуры подземных вод в пространстве и во вре­мени. Перечислим здесь для примера следующие пробле­мы:
охрана подземных вод от загрязнения; подземное захоронение промышленных стоков;
прогноз вторжения высокоминерализованных оке­анических вод в прибрежные водоносные комплексы;
0 исследование процессов образования и разруше­ния месторождений полезных ископаемых, обоснование гидрохимических методов поиска месторождений;
5 использование глубинного тепла Земли; индикация подземных вод;
разработка ряда гидрогеофизических методов ис­следований (например, резистивиметрия и термометрия).
Решения этих и ряда других проблем базируются на теории переноса вещества (и тепла) подземными водами , или, как принято говорить, на теории миграции подзем­ных вод [34]. Практическое значение этой теории усили­вается еще и потому, что многие из изучаемых ею процес­сов идут гораздо медленнее фильтрационных и не могут быть поэтому удовлетворительно описаны на эмпириче­ском уровне, т.е. натурное их моделирование затруднено, а подчас и вообще исключается.
Нужно заметить, что некоторые из перечисленных здесь проблем могут сводиться к решению задач о движе­нии двух жидкостей в двух различных областях пласта, между которыми существует четкая поверхность раздела, меняющая свое положение во времени и в пространстве. Тогда по своей сути ситуация эквивалентна задачам о взаимном вытеснении двух несмешивающихся жидко­стей, особенно характерным для практики нефтяного де­ла (вытеснения нефти водой). В сходной, хотя и более упрощенной постановке часто условно рассматриваются и некоторые задачи вытеснения смешивающихся жидко­стей, когда эффектами смешения пренебрегают, и счита­ется допустимой предпосылка о наличии резкой поверх­ности раздела; таковы, в частности, многие задачи, свя­занные с движением контакта пресных и соленых океани­ческих вод (двух смешивающихся жидкостей, которые в данном варианте рассматриваются как несмешивающие- ся).
Коль скоро мы коснулись движения несмешивающих­ся жидкостей, то необходимо упомянуть и важный класс задач об их совместном течении в пределах одной и той же макроскопической области пласта, когда по отноше­нию к каждой из жидкостей поровое пространство харак­теризуется определенной степенью насыщения (напри­мер, 60% — по нефти и 40% — по воде). Более широко эти задачи можно трактовать как проблему многофазных течений (примером здесь служит течение газированных жидкостей), которая нуждается в отдельном рассмотре­нии. При гидрогеологических исследованиях водоносных систем эта проблема представляет ограниченный инте­рес . Однако многие ее аспекты можно понять на примере движения воды в ненасыщенных породах — влагодерено- са в зоне аэрации, который, с некоторой долей условно­сти, мы также включим в материал данной главы (см. разделы 6.8 и 6.9).
Пока же обратимся к проблеме миграции подземных вод в зоне насыщения и начнем изложение гидродинами­ческих основ теории массо- и теплопереноса с его физи-
* Пожалуй, наиболее важное исключение — высокотемпературные
геотермальные системы.
ческого механизма, с рассмотрения процессов, обуслов­ливающих такой перенос. Главными из них являются конвекция и диффузия-гидродисперсия, на которые на­кладываются процессы физико-химического взаимодей­ствия подземных вод с горными породами - сорбция, ион­ный обмен и др. - или физико-химические трансформации качества подземных вод, протекающие в основном неза­висимо от влияния твердой фазы (например, радиоактив­ный распад).

1. 
   Конвективный перенос в подземных водах
   

1. 
   Общее представление о конвекции в фильтрационном потоке
   

Прежде чем дать определение конвективного перено­са, напомним, что в теории фильтрации нами рассматри­вались потоки, статистически усредненные в пределах минимальных репрезентативных объемов (поперечных сечений). В частности, все частицы жидкости в пределах таких достаточно малых поперечных сечений потока счи­тались имеющими одну и ту же усредненную действитель­ную скорость движения (см. раздел 1.5.1).
Конвективный перенос можно определить как меха­нический (гидравлический) перенос фильтрационным потоком (статистически усредненным в только что упо­мянутом смысле) без отделения от него, т.е. при этом считается, что вещество или тепло перемещается со сред­ней действительной скоростью v*, связанной со скоростью фильтрации соотношением (1.53). Принимая во внима­ние, что основная масса фильтрующейся воды проходит через ограниченную долю порового пространства (см. раздел 1.2.1), формулу (1.53) принято записывать в виде:
_ v _ к'1
^Vd~ni,~'n^’ (6.1)
где п_а — так называемая активная пористость (трещи­новатость)
Вместе с тем, п_а является весьма условным парамет­ром. Опыт показывает, что относительный объем пор, участвующих в переносе вещества, на самом деле меняет­ся в зависимости от скорости фильтрации и времени кон­такта фильтрующегося раствора с породой. Так, лабора­торные опыты со среднезернистыми песками показали, что расчетные значения пористости п_а могут изменяться от 38 (при скорости фильтрации v, измеряемой первыми метрами в сутки) до 30% (при скорости, составляющей десятки метров в сутки). Общая пористость испытанных песков составляла 40% [21]. При больших скоростях и малом времени перенос идет по наиболее крупным, свя­занным друг с другом порам. С падением скорости и уве­личением времени в процесс вовлекаются более мелкие и «тупиковые» поры, так что в пределе активная пористость (трещиноватость) стремится к общей пористости (трещи­новатости)¹. За исключением специально оговоренных случаев мы будем далее предполагать, что рассматрива­ются достаточно длительные и медленные процессы, в которых величину п_а можно считать постоянной, близкой к общей пористости (трещиноватости). Соответственно, мы примем для нее далее обозначение п.
UJIJiuijljtil/li U!!;: Hi. 'У// / /