.jpg/1280px-Boy_drinks_from_a_tap_at_a_NEWAH_WASH_water_project_in_Puware_Shikhar,_Udayapur_District,_Nepal._(10677903803).jpg)
Гидрогеология ( hydro- означает вода, и -geology означает изучение Земли ) — это область геологии , которая занимается распределением и движением грунтовых вод в почве и породах земной коры (обычно в водоносных горизонтах ). Термины гидрология грунтовых вод , геогидрология и гидрогеология часто используются как взаимозаменяемые, хотя гидрогеология является наиболее употребительным.
Гидрогеология — это наука о законах, управляющих движением подземных вод, механическом, химическом и термическом взаимодействии этих вод с пористым твердым телом, а также о переносе энергии, химических компонентов и твердых частиц потоком (Доменико и Шварц, 1998).
Инженерия подземных вод , другое название гидрогеологии, является отраслью инженерии , которая занимается движением подземных вод и проектированием скважин , насосов и дренажей. [1] Основные проблемы в инженерии подземных вод включают загрязнение подземных вод , сохранение запасов и качество воды . [2]
Скважины строятся для использования в развивающихся странах, а также для использования в развитых странах в местах, которые не подключены к городской системе водоснабжения. Скважины проектируются и обслуживаются для поддержания целостности водоносного горизонта и предотвращения попадания загрязняющих веществ в грунтовые воды. Споры возникают при использовании грунтовых вод, когда их использование влияет на поверхностные водные системы или когда деятельность человека угрожает целостности местной системы водоносного горизонта.
Гидрогеология является междисциплинарным предметом; может быть трудно полностью учесть химические , физические , биологические и даже юридические взаимодействия между почвой , водой , природой и обществом . Изучение взаимодействия между движением грунтовых вод и геологией может быть довольно сложным. Грунтовые воды не всегда следуют рельефу поверхности ; грунтовые воды следуют градиентам давления (поток от высокого давления к низкому), часто через трещины и каналы по окольным путям. Принимая во внимание взаимодействие различных граней многокомпонентной системы, часто требуются знания в нескольких различных областях как на экспериментальном , так и на теоретическом уровнях. Ниже приводится более традиционное введение в методы и номенклатуру насыщенной подземной гидрологии.
Гидрогеология, как указано выше, является разделом наук о Земле, изучающим поток воды через водоносные горизонты и другие неглубокие пористые среды (обычно менее 450 метров 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 жидкостей (воды, углеводородов , геотермальных жидкостей и т. д.) в более глубоких формациях также является предметом внимания геологов, геофизиков и геологов-нефтяников . Грунтовые воды являются медленно движущейся, вязкой жидкостью (с числом Рейнольдса меньше единицы); многие из эмпирически полученных законов потока грунтовых вод могут быть поочередно выведены в механике жидкостей из особого случая потока Стокса (термины вязкости и давления , но не инерционный член).
Математические соотношения , используемые для описания потока воды через пористые среды, — это закон Дарси , диффузия и уравнения Лапласа , которые применяются во многих различных областях. Устойчивый поток грунтовых вод (уравнение Лапласа) был смоделирован с использованием электрических , упругих и теплопроводных аналогий. Переходный поток грунтовых вод аналогичен диффузии тепла в твердом теле, поэтому некоторые решения гидрологических задач были адаптированы из литературы по теплопередаче .
Традиционно движение грунтовых вод изучалось отдельно от поверхностных вод, климатологии и даже химических и микробиологических аспектов гидрогеологии (процессы не связаны). По мере развития области гидрогеологии становятся более очевидными сильные взаимодействия между грунтовыми водами, поверхностными водами , химией воды , влажностью почвы и даже климатом .
Калифорния и Вашингтон требуют специальной сертификации гидрогеологов для предложения профессиональных услуг населению. Двадцать девять штатов требуют профессионального лицензирования для геологов, чтобы предлагать свои услуги населению, что часто включает работу в областях разработки, управления и/или восстановления ресурсов подземных вод. [3]
Например: истощение или перерасход водоносного слоя и откачка ископаемой воды могут быть факторами, способствующими повышению уровня моря. [4]
Одной из основных задач, которую обычно выполняет гидрогеолог, является прогнозирование будущего поведения водоносной системы на основе анализа прошлых и настоящих наблюдений. Некоторые гипотетические, но характерные вопросы, которые задаются, будут:
Большинство этих вопросов можно решить с помощью моделирования гидрологической системы (с использованием численных моделей или аналитических уравнений). Точное моделирование системы водоносного горизонта требует знания свойств водоносного горизонта и граничных условий. Поэтому общей задачей гидрогеолога является определение свойств водоносного горизонта с помощью испытаний водоносного горизонта .
Для дальнейшей характеристики водоносных горизонтов и водоупоров ниже представлены некоторые основные и производные физические свойства. Водоносные горизонты в целом классифицируются как ограниченные или незамкнутые ( водоносные горизонты уровня грунтовых вод ), а также как насыщенные или ненасыщенные; тип водоносного горизонта влияет на то, какие свойства контролируют поток воды в этой среде (например, высвобождение воды из хранилища для ограниченных водоносных горизонтов связано с водоупорностью , в то время как для незамкнутых водоносных горизонтов оно связано с удельным дебитом).
Водоносный горизонт — это совокупность воды под поверхностью, достаточно большая, чтобы быть полезной в виде источника или скважины. Водоносные горизонты могут быть безнапорными, когда верхняя часть водоносного горизонта определяется уровнем грунтовых вод , или ограниченными, когда водоносный горизонт находится под водоупорным слоем. [5]
Существует три аспекта, которые контролируют природу водоносных горизонтов: стратиграфия , литология и геологические формации и отложения. Стратиграфия связывает возраст и геометрию многих формаций, которые составляют водоносный горизонт. Литология относится к физическим компонентам водоносного горизонта, таким как минеральный состав и размер зерна. Структурные особенности - это элементы, которые возникают из-за деформаций после осаждения, таких как трещины и складки. Понимание этих аспектов имеет первостепенное значение для понимания того, как формируется водоносный горизонт и как специалисты могут использовать его для инженерии подземных вод. [6]
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 напорного напора ( ψ ) и подъемного напора ( z ). Градиент напора — это изменение гидравлического напора на длину пути потока, и в законе Дарси он отображается как пропорциональный расходу.
Гидравлический напор — это свойство, которое можно измерить напрямую, и оно может принимать любое значение (из-за произвольной исходной точки, входящей в термин z ); ψ можно измерить с помощью датчика давления (это значение может быть отрицательным, например, всасывание, но положительным в насыщенных водоносных горизонтах), а z можно измерить относительно обследованной исходной точки (обычно верхней части обсадной трубы скважины ). Обычно в скважинах, вскрывающих неограниченные водоносные горизонты, уровень воды в скважине используется в качестве заменителя для гидравлического напора, предполагая, что вертикальный градиент давления отсутствует. Часто требуются только изменения гидравлического напора с течением времени, поэтому термин постоянного напора можно опустить ( Δh = Δψ ).
Запись гидравлического напора в скважине с течением времени называется гидрографом , а изменения гидравлического напора, зарегистрированные во время откачки жидкости из скважины при испытании, называются просадкой .
Пористость ( n ) — это свойство водоносного горизонта, которое можно измерить напрямую; это дробь от 0 до 1, указывающая объем порового пространства между неконсолидированными частицами почвы или внутри трещиноватой породы. Обычно большая часть грунтовых вод (и всего, что в них растворено) движется через пористость, доступную для потока (иногда называемую эффективной пористостью ). Проницаемость — это выражение связанности пор. Например, нетрещиноватая горная порода может иметь высокую пористость (она имеет много отверстий между составляющими ее зернами), но низкую проницаемость (ни одна из пор не связана). Примером этого явления является пемза , которая в своем нетрещиноватом состоянии может образовывать плохой водоносный горизонт.
Пористость не оказывает прямого влияния на распределение гидравлического напора в водоносном горизонте, но она оказывает очень сильное воздействие на миграцию растворенных загрязняющих веществ, поскольку влияет на скорость потока подземных вод через обратно пропорциональную зависимость.
Закон Дарси обычно применяется для изучения движения воды или других жидкостей через пористые среды и составляет основу многих гидрогеологических анализов.
Содержание воды ( θ ) также является непосредственно измеряемым свойством; это доля всей породы, которая заполнена жидкой водой. Это также доля между 0 и 1, но она также должна быть меньше или равна общей пористости.
Содержание воды очень важно в гидрологии зоны аэрации , где гидравлическая проводимость является сильно нелинейной функцией содержания воды; это усложняет решение уравнения потока ненасыщенных грунтовых вод.
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). Проницаемость является произведением гидравлической проводимости и толщины водоносного слоя (обычно используется как показатель способности водоносного слоя доставлять воду в скважину). Собственная проницаемость ( κ ) является свойством только пористой среды и не меняется при изменении жидкости (например, при изменении плотности или вязкости; она больше используется в нефтяной промышленности.
Удельное водохранилище ( S s ) и его эквивалент, интегрированный по глубине, водоудерживающая способность ( S=S s b ), являются косвенными свойствами водоносного горизонта (они не могут быть измерены напрямую); они указывают на количество подземных вод, высвобождаемых из хранилища из-за единичной разгерметизации ограниченного водоносного горизонта. Они представляют собой доли от 0 до 1.
Удельный выход ( S y ) также является отношением между 0 и 1 ( S y ≤ пористость) и указывает на количество воды, высвобождаемой в результате дренажа при понижении уровня грунтовых вод в неограниченном водоносном горизонте. Значение удельного выхода меньше значения 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 несколько порядков больше, чем S s .
Гидрогеология зоны разлома - это изучение того, как хрупко деформированные породы изменяют потоки жидкости в различных литологических условиях , таких как обломочные , магматические и карбонатные породы . Движение жидкости, которое можно количественно определить как проницаемость , может быть облегчено или затруднено из-за существования зоны разлома . [7] Это происходит потому, что различные механизмы и деформированные породы могут изменять пористость и, следовательно, проницаемость в зоне разлома. Жидкости, вовлеченные в процесс, обычно представляют собой грунтовые воды (пресные и морские воды) и углеводороды (нефть и газ). [8] Поскольку зона разлома является зоной слабости, это помогает увеличить толщину выветренной зоны и, следовательно, помочь в пополнении запасов грунтовых вод. [9] Наряду с разломами , трещины и расслоения также способствуют движению грунтовых вод, в основном в твердых горных породах. [9]
Часто нас интересует, как движущиеся грунтовые воды будут переносить растворенные загрязняющие вещества (подотрасль гидрогеологии загрязняющих веществ). Загрязняющие вещества, которые являются антропогенными (например, нефтепродукты , нитраты , хром или радионуклиды ) или естественными (например, мышьяк , соленость ), могут переноситься посредством трех основных механизмов: адвекции (перенос вдоль основного направления потока со скоростью просачивания), диффузии (миграция загрязняющего вещества из областей с высокой концентрацией в области с низкой концентрацией) и гидродинамической дисперсии (из-за микромасштабных неоднородностей, присутствующих в пористой среде, и неравномерного распределения скорости относительно скорости просачивания). [10] Помимо необходимости понимать, куда текут грунтовые воды, на основе других гидрологических свойств, обсуждавшихся выше, существуют дополнительные свойства водоносного горизонта, которые влияют на то, как растворенные загрязняющие вещества перемещаются с грунтовыми водами.
Гидродинамическая дисперсия (α L , α T ) — это эмпирический фактор, который количественно определяет, насколько загрязняющие вещества отклоняются от пути грунтовых вод, которые их несут. Некоторые из загрязняющих веществ будут «позади» или «впереди» среднего грунтовых вод, что приводит к продольной дисперсии (α L ), а некоторые будут «по бокам» чистого адвективного потока грунтовых вод, что приводит к поперечной дисперсии (α T ). Дисперсия в грунтовых водах возникает из-за того, что каждая «частица» воды, проходя мимо частицы почвы, должна выбрать, куда идти, влево или вправо, вверх или вниз, так что «частицы» воды (и их растворенное вещество) постепенно распространяются 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 большей или меньшей проницаемости, так что часть воды может найти предпочтительный путь в одном направлении, а часть — в другом, так что загрязняющее вещество может распространяться совершенно неравномерно, как в (трехмерной) дельте реки.
Дисперсность на самом деле является фактором, который отражает нашу нехватку информации о системе, которую мы моделируем. Существует множество мелких деталей о водоносном горизонте, которые эффективно усредняются при использовании макроскопического подхода (например, крошечные слои гравия и глины в песчаных водоносных горизонтах); они проявляются как кажущаяся дисперсия. Из-за этого часто утверждается, что α зависит от масштаба длины проблемы — дисперсия, найденная для транспортировки через 1 м 3 водоносного горизонта, отличается от дисперсии для транспортировки через 1 см 3 того же материала водоносного горизонта. [11]
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 для малых расстояний (оно необходимо 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 макроскопические расстояния в коротком масштабе времени. Коэффициент диффузии , D [ необходимо разъяснение ] , обычно довольно мал, и его эффектом часто можно пренебречь (если только скорости потока грунтовых вод не чрезвычайно малы, как в глиняных водоупорах ) .
Важно не путать диффузию с дисперсией, поскольку первая представляет собой физическое явление, а вторая — эмпирический гидродинамический фактор, который представлен в форме, аналогичной диффузии, поскольку это удобный способ математического описания и решения вопроса.
Фактор замедления — еще одна очень важная особенность, которая заставляет движение загрязняющего вещества отклоняться от среднего движения грунтовых вод. Он аналогичен фактору замедления хроматографии . 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 происходит из-за химико-физического эффекта: адсорбции почвой , которая удерживает загрязняющее вещество и не позволяет ему продвигаться, пока не будет адсорбировано количество, соответствующее химическому адсорбционному равновесию. Этот эффект особенно важен для менее растворимых загрязняющих веществ, которые, таким образом, могут двигаться даже в сотни или тысячи раз медленнее, чем вода. Эффект этого явления заключается в том, что только более растворимые виды могут преодолевать большие расстояния. Фактор замедления зависит от химической природы как загрязняющего вещества, так и водоносного горизонта.
Генри Дарси был французским ученым, который добился успехов в изучении течения жидкостей через пористые материалы. Он проводил эксперименты, в которых изучалось движение жидкостей через песчаные колонны. Эти эксперименты привели к определению закона Дарси , который описывает течение жидкости через среду с высоким уровнем пористости. Работа Дарси считается началом количественной гидрогеологии. [12]
Оскар Эдвард Мейнцер был американским ученым, которого часто называют «отцом современной гидрологии подземных вод». Он стандартизировал ключевые термины в этой области, а также определил принципы, касающиеся возникновения, движения и сброса. Он доказал, что поток воды подчиняется закону Дарси. Он также предложил использовать геофизические методы и регистраторы на скважинах, а также предложил проводить испытания по откачке для сбора количественной информации о свойствах водоносных горизонтов. Мейнцер также подчеркнул важность изучения геохимии воды, а также влияния высоких уровней солености на водоносные горизонты. [13]
Закон Дарси — это уравнение , эмпирически выведенное Генри Дарси в 1856 году, которое гласит, что количество подземных вод , вытекающих через заданную часть водоносного горизонта, пропорционально площади поперечного сечения потока, гидравлическому градиенту и гидравлической проводимости .
Уравнение потока грунтовых вод в самом общем виде описывает движение грунтовых вод в пористой среде (водоносные горизонты и водоупоры). В математике оно известно как уравнение диффузии и имеет множество аналогов в других областях. Многие решения задач потока грунтовых вод были заимствованы или адаптированы из существующих решений теплопередачи .
Часто выводится из физической основы с использованием закона Дарси и закона сохранения массы для малого контрольного объема. Уравнение часто используется для прогнозирования потока в скважины , которые имеют радиальную симметрию, поэтому уравнение потока обычно решается в полярных или цилиндрических координатах .
Уравнение Тейса является одним из наиболее часто используемых и фундаментальных решений уравнения потока грунтовых вод; его можно использовать для прогнозирования переходной эволюции напора из-за эффектов откачки одной или нескольких насосных скважин.
Уравнение Тима является решением уравнения стационарного потока грунтовых вод (уравнение Лапласа) для потока в скважину. Если поблизости нет крупных источников воды (река или озеро), истинное стационарное состояние редко достигается в реальности.
Оба приведенных выше уравнения используются при испытаниях водоносных горизонтов (испытаниях насосами).
Уравнение Хугхаудта представляет собой уравнение потока грунтовых вод, применяемое к подземному дренажу с помощью труб, плиточных дренажей или канав. [14] Альтернативным методом подземного дренажа является дренаж с помощью скважин , для которого также имеются уравнения потока грунтовых вод. [15]
Чтобы использовать уравнение потока грунтовых вод для оценки распределения гидравлических напоров или направления и скорости потока грунтовых вод, необходимо решить это уравнение в частных производных (PDE). Наиболее распространенными способами аналитического решения уравнения диффузии в литературе по гидрогеологии являются:
Независимо от того, какой метод мы используем для решения уравнения потока грунтовых вод , нам нужны как начальные условия (напоры в момент времени ( t ) = 0), так и граничные условия (представляющие либо физические границы области, либо приближение области за этой точкой). Часто начальные условия предоставляются для переходного моделирования с помощью соответствующего стационарного моделирования (где производная по времени в уравнении потока грунтовых вод устанавливается равной 0).
Существует две широкие категории того, как (PDE) будет решено: либо аналитические методы, численные методы, либо что-то, возможно, промежуточное. Как правило, аналитические методы решают уравнение потока грунтовых вод при упрощенном наборе условий точно , в то время как численные методы решают его при более общих условиях с приближением .
Аналитические методы обычно используют структуру математики для получения простого, элегантного решения, но требуемый вывод для всех, кроме самых простых геометрий доменов, может быть довольно сложным (включая нестандартные координаты , конформное отображение и т. д.). Аналитические решения обычно также представляют собой просто уравнение, которое может дать быстрый ответ на основе нескольких основных параметров. Уравнение Тейса является очень простым (но все еще очень полезным) аналитическим решением уравнения потока грунтовых вод , обычно используемым для анализа результатов теста водоносного горизонта или теста слага .
Тема численных методов довольно обширна, очевидно, она полезна для большинства 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 и по сей день, [ когда? ], но они рассчитывались вручную, с помощью бумаги и карандаша, людьми-"калькуляторами"), но они стали очень важными благодаря доступности быстрых и дешевых персональных компьютеров . Ниже представлен краткий обзор основных численных методов, используемых в гидрогеологии, и некоторые из самых основных принципов, которые далее обсуждаются в статье о модели грунтовых вод .
Существует две широкие категории численных методов: методы с сеткой или дискретизацией и методы без сетки или без сетки. В общем методе конечных разностей и методе конечных элементов (FEM) область полностью сетируется («разрезается» на сетку или сетку из мелких элементов). Метод аналитических элементов (AEM) и метод граничных интегральных уравнений (BIEM — иногда также называемый BEM или методом граничных элементов) дискретизируются только на границах или вдоль элементов потока (линейные стоки, площадные источники и т. д.), большая часть области не имеет сетки.
Методы с сеткой, такие как методы конечных разностей и конечных элементов, решают уравнение потока грунтовых вод, разбивая проблемную область (домен) на множество мелких элементов (квадраты, прямоугольники, треугольники, блоки, тетраэдры и т. д.) и решая уравнение потока для каждого элемента (все свойства материалов предполагаются постоянными или, возможно, линейно изменяемыми внутри элемента), затем связывая все элементы вместе, используя сохранение массы на границах между элементами (аналогично теореме о дивергенции ). Это приводит к системе, которая в целом аппроксимирует уравнение потока грунтовых вод, но точно соответствует граничным условиям (напор или поток указаны в элементах, которые пересекают границы).
Конечные разности являются способом представления непрерывных дифференциальных операторов с использованием дискретных интервалов ( Δx и Δt ), и методы конечных разностей основаны на них (они выводятся из ряда Тейлора ). Например, производная по времени первого порядка часто аппроксимируется с использованием следующей прямой конечной разности, где нижние индексы указывают на дискретное местоположение во времени,
Аппроксимация конечной разности вперед безусловно устойчива, но приводит к неявному набору уравнений (которые должны быть решены с использованием матричных методов, например, LU или разложения Холецкого ). Подобная обратная разность только условно устойчива, но она явна и может использоваться для «марширования» вперед во временном направлении, решая один узел сетки за раз (или, возможно, параллельно , поскольку один узел зависит только от своих непосредственных соседей). Вместо метода конечной разности иногда используется приближение МКЭ Галеркина в пространстве (это отличается от типа МКЭ, часто используемого в структурной инженерии ) с конечными разностями, по-прежнему используемыми во времени.
MODFLOW — это известный пример общей конечно-разностной модели потока грунтовых вод. Она разработана Геологической службой США как модульный и расширяемый инструмент моделирования для моделирования потока грунтовых вод. Это бесплатное программное обеспечение , разработанное, документированное и распространяемое Геологической службой США. Вокруг него выросло множество коммерческих продуктов, предоставляющих графические пользовательские интерфейсы для интерфейса на основе входных файлов и обычно включающих предварительную и последующую обработку пользовательских данных. Было разработано много других моделей для работы с входными и выходными данными MODFLOW, что делает возможными связанные модели, которые имитируют несколько гидрологических процессов (модели потока и переноса, модели поверхностных и грунтовых вод и модели химических реакций) из-за простой, хорошо документированной природы MODFLOW.
Программы конечных элементов более гибки в конструкции (треугольные элементы по сравнению с блочными элементами, которые используют большинство моделей конечных разностей), и есть несколько доступных программ (SUTRA, 2D или 3D модель потока, зависящая от плотности, от USGS; Hydrus , коммерческая модель ненасыщенного потока; FEFLOW , коммерческая среда моделирования для процессов подземного потока, переноса растворенных веществ и тепла; OpenGeoSys, научный проект с открытым исходным кодом для термо-гидро-механо-химических (THMC) процессов в пористых и трещиноватых средах; [16] [17] COMSOL Multiphysics (коммерческая среда общего моделирования), FEATool Multiphysics, простой в использовании набор инструментов моделирования MATLAB, и Integrated Water Flow Model (IWFM), но они все еще не так популярны среди практикующих гидрогеологов, как MODFLOW. Модели конечных элементов более популярны в университетских и лабораторных средах, где специализированные модели решают нестандартные формы уравнения потока ( ненасыщенный поток, поток, зависящий от плотности , связанное тепло и грунтовые воды поток и т. д.).
Метод конечных объемов — это метод представления и оценки уравнений с частными производными как алгебраических уравнений. [18] [19] [ необходима полная ссылка ] Подобно методу конечных разностей, значения вычисляются в дискретных местах на сетчатой геометрии. «Конечный объем» относится к малому объему, окружающему каждую узловую точку на сетке. В методе конечных объемов объемные интегралы в уравнении с частными производными, которые содержат член расхождения, преобразуются в поверхностные интегралы с использованием теоремы о расхождении. Затем эти члены оцениваются как потоки на поверхностях каждого конечного объема. Поскольку поток, входящий в заданный 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.
Программный пакет PORFLOW представляет собой комплексную математическую модель для моделирования потока 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 возможности моделирования многофазной, термической, стрессовой и многокомпонентной реактивной химии. Текущая работа с использованием этого кода включает моделирование образования гидрата метана , секвестрации CO2 , добычи горючего сланца , миграции как ядерных, так и химических загрязнителей, миграции изотопов окружающей среды в ненасыщенной зоне и образования карста .
К ним относятся методы без сетки, такие как метод аналитических элементов (AEM) и метод граничных элементов (BEM), которые ближе к аналитическим решениям, но они аппроксимируют уравнение потока грунтовых вод в некотором роде. BEM и AEM точно решают уравнение потока грунтовых вод (идеальный баланс масс), аппроксимируя граничные условия. Эти методы более точны и могут быть гораздо более элегантными решениями (как аналитические методы), но пока не нашли широкого применения за пределами академических и исследовательских групп.
Колодец — это механизм для извлечения грунтовых вод на поверхность путем бурения или рытья и подъема их на поверхность с помощью насоса или вручную с использованием ведер или подобных устройств. Первый исторический случай колодцев был в 52 веке до нашей эры в современной Австрии . [20] Сегодня [ когда? ] колодцы используются по всему миру, от развивающихся стран до пригородов в Соединенных Штатах.
Существует три основных типа скважин: мелкие, глубокие и артезианские. Мелкие скважины вскрывают незамкнутые водоносные горизонты и, как правило, неглубокие, менее 15 метров в глубину. Мелкие скважины имеют небольшой диаметр, обычно менее 15 сантиметров. [21] Глубокие скважины достигают замкнутых водоносных горизонтов и всегда бурятся с помощью машины. Все глубокие скважины выводят воду на поверхность с помощью механических насосов. В артезианских скважинах вода течет естественным образом без использования насоса или какого-либо другого механического устройства. Это связано с тем, что верхняя часть скважины расположена ниже уровня грунтовых вод. [22]
Одним из важнейших аспектов инженерии грунтовых вод и гидрогеологии является проектирование и строительство скважин. Правильное проектирование и строительство скважин важны для поддержания здоровья грунтовых вод и людей, которые будут пользоваться скважиной. Факторы, которые необходимо учитывать при проектировании скважин:
При планировании и строительстве новой скважины для воды, наряду с указанными выше факторами, следует учитывать пять основных моментов. Это:
Пригодность водоносного горизонта начинается с определения возможных мест для скважины с использованием " отчетов USGS , каротажных диаграмм и поперечных сечений" водоносного горизонта. Эта информация должна использоваться для определения свойств водоносного горизонта, таких как глубина, толщина, проницаемость и дебит скважины. На этом этапе также должно быть определено качество воды в водоносном горизонте, и должен быть проведен скрининг для проверки на наличие загрязняющих веществ. [24]
После определения таких факторов, как глубина и производительность скважины, необходимо установить конструкцию скважины и подход к бурению. Метод бурения выбирается на основе «почвенных условий, глубины скважины, конструкции и затрат». [24] На этом этапе составляются сметы расходов, а планы корректируются в соответствии с бюджетными потребностями.
Важными частями скважины являются герметизация скважины, обсадные трубы или вкладыши, башмаки привода, узлы фильтров скважины и песчаная или гравийная набивка (опционально). Каждый из этих компонентов гарантирует, что скважина будет забирать только из одного водоносного слоя, и утечки не произойдет ни на одной стадии процесса. [24]
Существует несколько методов бурения, которые можно использовать при строительстве скважины на воду. К ним относятся: «кабельный инструмент, вращательное бурение с воздухом, вращательное бурение с грязевым потоком и вращательное бурение с обратной циркуляцией с затоплением». [24] Бурение с кабельным инструментом недорого и может использоваться для всех типов скважин, но выравнивание необходимо постоянно проверять, и оно имеет низкую скорость продвижения. Это неэффективный метод бурения для консолидированных формаций, но обеспечивает небольшую площадь бурения. Воздушное вращательное бурение является экономически эффективным и хорошо подходит для консолидированных формаций. Оно имеет высокую скорость продвижения, но не подходит для скважин большого диаметра. Бурение буровым раствором особенно экономически эффективно для глубоких скважин. Оно обеспечивает хорошее выравнивание, но требует большей площади. Оно имеет очень высокую скорость продвижения. Бурение с обратной циркуляцией с затоплением является более дорогим, но подходит для больших конструкций скважин. Оно универсально и поддерживает выравнивание. Оно имеет высокую скорость продвижения. [24]
Фильтры скважин гарантируют, что на поверхность попадет только вода, а осадки останутся под поверхностью Земли. Фильтры размещаются вдоль ствола скважины, чтобы отфильтровывать осадок, когда вода закачивается к поверхности. На конструкцию фильтра может влиять характер почвы, а для максимальной эффективности можно использовать естественные конструкции набивки. [24]
После строительства скважины необходимо провести испытания для оценки производительности, эффективности и отдачи скважины, а также определить воздействие скважины на водоносный горизонт. Несколько различных испытаний должны быть выполнены на скважине, чтобы проверить все соответствующие качества скважины. [24]
Загрязнение грунтовых вод происходит, когда другие жидкости просачиваются в водоносный горизонт и смешиваются с существующими грунтовыми 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 корродируют, они могут протекать, и их содержимое может загрязнять близлежащие грунтовые воды. Для зданий, которые не подключены к системе очистки сточных вод , септики могут использоваться для утилизации отходов с безопасной скоростью. Если септики не построены или не обслуживаются должным образом, они могут пропускать бактерии, вирусы и другие химикаты в окружающие грунтовые воды. Свалки являются еще одним потенциальным источником загрязнения грунтовых вод. По мере захоронения мусора вредные химикаты могут мигрировать из мусора в окружающие грунтовые воды, если защитный базовый слой треснул или иным образом поврежден. Другие химикаты, такие как дорожная соль и химикаты, используемые на газонах и фермах, могут стекать в местные водохранилища и в конечном итоге в водоносные горизонты. По мере того, как вода проходит через водный цикл, загрязняющие вещества в атмосфере могут загрязнять воду. Эта вода также может попасть в грунтовые воды. [25]
Загрязнение грунтовых вод из-за фрекинга обсуждается уже давно. Поскольку химикаты, обычно используемые при гидроразрыве пласта, не тестируются государственными учреждениями, ответственными за определение воздействия фрекинга на грунтовые воды, лабораториям Агентства по охране окружающей среды США (EPA) сложно определить, присутствуют ли химикаты, используемые при фрекинге, в близлежащих водоносных горизонтах. [26] В 2016 году EPA опубликовало отчет, в котором говорится, что питьевая вода может быть загрязнена фрекингом. Это стало отменой их предыдущей политики после исследования стоимостью 29 миллионов долларов воздействия фрекинга на местную питьевую воду. [27]
В Калифорнии наблюдаются некоторые из самых крупных споров в использовании грунтовых 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 из района, недобросовестного использования воды коммерческой компанией и загрязнения грунтовых вод проектами по развитию. В округе Сискию на севере Калифорнии Верховный суд Калифорнии постановил, что ненадлежащее регулирование грунтовых вод позволило откачке уменьшить потоки в реке Скотт и нарушить естественную среду обитания лосося. В долине Оуэнс в центральной Калифорнии грунтовые воды откачивались для использования на рыбоводческих фермах, что привело к гибели местных лугов и других экосистем. Это привело к судебному иску и урегулированию против рыбоводческих компаний. Развитие в южной Калифорнии угрожает местным водоносным горизонтам, загрязняя грунтовые воды в результате строительства и обычной деятельности человека. Например, солнечный проект в округе Сан-Бернардино предположительно угрожает экосистеме птиц и диких животных из-за использования до 1,3 миллиона кубических метров грунтовых вод, что может повлиять на озеро Харпер . [28] В сентябре 2014 года Калифорния приняла Закон об устойчивом управлении грунтовыми водами , который требует от пользователей управлять грунтовыми водами надлежащим образом, поскольку они связаны с системами поверхностных вод. [28]
Из-за засушливого климата штат Колорадо получает большую часть воды из-под земли. Из-за этого возникли проблемы с методами инженерии грунтовых вод. Около 65 000 человек пострадали, когда в водоносном горизонте Уайдфилд были обнаружены высокие уровни ПФУ. Использование грунтовых вод в Колорадо началось еще до 20-го века. Девятнадцать из 63 округов Колорадо в основном зависят от грунтовых вод для снабжения и бытовых нужд. Геологическая служба Колорадо подготовила три важных отчета о грунтовых водах в бассейне Денвера. Первый отчет Геология верхнего мела, палеоцена и эоцена в юго-западном бассейне Денвера, второй отчет Геология коренных пород, структура и карты изопахит верхнего мела до палеогена между Грили и Колорадо-Спрингс, третья публикация Поперечные сечения пресноводных пластов бассейна Денвера между Грили и Колорадо-Спрингс. [29] [30]
С тех пор, как первые скважины были пробурены тысячи лет назад, [ когда? ] системы грунтовых вод были изменены деятельностью человека. 50 лет назад устойчивость этих систем в более крупных масштабах стала приниматься во внимание, став одним из основных направлений инженерии грунтовых вод. Новые идеи и исследования продвигают инженерию грунтовых вод в 21-м веке, при этом все еще рассматривая сохранение грунтовых вод. [31]
В топографическом картографировании появились новые достижения для улучшения устойчивости. Топографическое картографирование было обновлено, чтобы включить радар, который может проникать в землю, чтобы помочь определить проблемные области. Кроме того, большие вычисления могут использовать собранные с карт данные для дальнейшего изучения водоносных горизонтов грунтовых вод в последние годы. [ когда? ] Это сделало возможными очень сложные и индивидуальные модели круговорота воды, что помогло сделать устойчивость грунтовых вод более применимой к конкретным ситуациям. [31]
Технологические усовершенствования продвинули топографическое картирование, а также улучшили качество моделирования литосферы, гидросферы, биосферы и атмосферы. Эти моделирования полезны сами по себе; однако, когда они используются вместе, они помогают дать еще более точный прогноз будущей устойчивости области и того, какие изменения могут быть сделаны для обеспечения стабильности в этой области. Это было бы невозможно без развития технологий. По мере того, как технологии продолжают развиваться, моделирование будет становиться более точным и позволит проводить более сложные исследования и проекты в области инженерии подземных вод. [31]
Поскольку население продолжает расти, территории, которые использовали грунтовые воды на устойчивой скорости, теперь начинают сталкиваться с проблемами устойчивости в будущем. Население такого размера, которое в настоящее время наблюдается в крупных городах, не принималось во внимание при долгосрочной устойчивости водоносных горизонтов. Эти большие размеры населения начинают оказывать давление на запасы грунтовых вод. Это привело к необходимости новых политик в некоторых городских районах. Они известны как упреждающее управление землепользованием, когда города могут действовать упреждающе, чтобы сохранять грунтовые воды.
В Бразилии перенаселение привело к истощению муниципальной воды. Из-за нехватки воды люди начали бурить скважины в пределах, обычно обслуживаемых муниципальной системой водоснабжения. Это было решением для людей с высоким социально-экономическим положением, но оставило большую часть неблагополучного населения без доступа к воде. Из-за этого была создана новая муниципальная политика, которая бурила скважины, чтобы помочь тем, кто не мог позволить себе бурить скважины самостоятельно. Поскольку город отвечает за бурение новых скважин, он может лучше планировать будущую устойчивость грунтовых вод в регионе, тщательно размещая скважины и принимая во внимание растущее население. [32]
В Соединенных Штатах 51% питьевой воды поступает из подземных вод. Около 99% сельского населения зависит от подземных вод. Кроме того, 64% от 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% пресной воды, используемой в США, поступали из подземных вод, а остальные 78% — из поверхностных вод. Подземные воды важны для некоторых штатов, которые не имеют доступа к пресной воде. Большая часть пресной подземной воды — 65% — используется для орошения, а 21% — в общественных целях, в основном для питья. [33] [34]
