Metody obliczeniowe w hydrogeologii

50,00 zł
0

W książce zestawiono metody i wzory obliczeniowe stosowane w rozwiązywaniu typowych zagadnień, z jakimi hydrogeologowie mogą się spotkać w swojej pracy. Nacisk położono na praktyczne sposoby stosowania omawianych metod, bez wgłębiania się w ich uzasadnienia teoretyczne, wyprowadzenia wzorów itp. We wszystkich podrozdziałach zamieszczono proste, łatwo sprawdzalne przykłady obliczeniowe, które mogą być pomocą w stosowaniu prezentowanych wzorów w praktycznych obliczeniach.

Książka ma charakter poradnika przeznaczonego zarówno dla studentów wyższych uczelni, w których znajdują się wydziały geologii, górnictwa, gospodarki wodnej, budownictwa, rolnictwa lub inżynierii i ochrony środowiska, jak i dla praktyków zajmujących się zagadnieniami hydrogeologicznymi w wymienionych dziedzinach.

Ze Wstępu

 

 

 

 

Kategoria:

Autor: Marek Rogoż

ISBN   978-83-7164-689-8- 
Wymiary  160x235 mm
Liczba stron  530
Rok wydania  2012

Książka została zrecenzowana przez pana prof. dr hab. inż. Bohdana Kozerskiego z Uniwersytetu Gdańskiego i pana prof. dr hab. inż. Jacka Motykę z Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie.

1. Właściwości fizyczne i chemiczne wody

1.1. Właściwości fizyczne wody: temperatura, gęstość, ciężar właściwy, lepkość dynamiczna i kinematyczna, ściśliwość, przewodność elektrolityczna.

1.2. Promieniotwórczość: prawo rozpadu promieniotwórczego, aktywność ciała promieniotwórczego, aktywność (promieniotwórczość) właściwa, aktywność bezpieczna, oznaczanie wieku wód podziemnych.

1.3. Izotopy trwałe: notacja delta, frakcjonowanie izotopowe, izotopy trwałe wodoru i tlenu, węgla, siarki i azotu.

1.4. Właściwości chemiczne wód podziemnych: stężenie masowe, molowe i równoważnikowe, odczyn pH, aktywność, siła jonowa roztworów wodnych, potencjał oksydacyjno-redukcyjny, iloczyn rozpuszczalności, wskaźnik nasycenia.

1.5. Skład chemiczny wód podziemnych: mineralizacja ogólna, twardość wody, rozpuszczalność gazów w wodzie, prawo Henry’ego, kontrola poprawności analiz chemicznych wody, wskaźniki hydrochemiczne.

 

2. Elementy bilansu wodnego

2.1. Opady.

2.2. Parowanie: niedosyt wilgotności powietrza, parowanie terenowe.

2.3. Odpływ: krzywa konsumpcyjna, recesja przepływu.

2.4. Bilans wodny: bilans wodny zlewni, bilans wód podziemnych, przyrost retencji, odpływ podziemny, zasilanie infiltracyjne.

 

3. Właściwości hydrogeologiczne skał i gruntów

3.1. Skład ziarnowy skał luźnych: analiza granulometryczna, średnica efektywna ziarna, wskaźnik niejednorodności uziarnienia, średnica hydrauliczna ziarna, średnica porów.

3.2. Współczynnik i wskaźnik porowatości

3.3. Porowatość aktywna – oznaczanie metodami znacznikowymi: metoda dwóch otworów na linii prądu, metoda Płotnikowa.

3.4. Wodochłonność: definicja, badania laboratoryjne, badanie polowe.

3.5. Wilgotność.

3.6. Odsączalność: badanie polowe, metody Kerkisa, Rogoża, Viberta, Płotnikowa, metody empiryczne: wzory Kozerskiego, Rogoża, wzór wg Chanina.

3.7. Współczynnik sprężystej pojemności wodnej.

 

4. Podstawy obliczeniowe filtracji w strefie saturacji

4.1. Wysokość hydrauliczna.

4.2. Spadek hydrauliczny.

4.3. Prędkość filtracji – prawo Darcy’ego.

4.4. Współczynnik filtracji i współczynnik przepuszczalności.

4.5. Granice stosowalności prawa Darcy’ego.

4.6. Prawo Darcy’ego w obszarze anizotropowym

4.7. Przewodność hydrauliczna: przewodność warstwy wodonośnej, piezoprzewodność warstwy wodonośnej, przewodność pionowa warstwy półprzepuszczalnej

4.8. Przewodność masywu szczelinowego: przewodność pojedynczej szczeliny, pojedynczy system wzajemnie równoległych szczelin, szczeliny o nierównoległych ściankach, dwa systemy szczelin, szczeliny nieciągłe, o ściankach chropowatych.

4.9. Obszar filtracji jako pole wektorowe: potencjał prędkości w filtracji równomiernej i płasko-radialnej, potencjał strumienia w naporowej i swobodnej warstwie wodonośnej, potencjał Girinskiego, funkcja prądu w filtracji równomiernej i płasko-radialnej, funkcja strumienia .

4.10. Filtracja sferyczno-radialna

4.11. Warunki brzegowe filtracji: warunek brzegowy pierwszego, drugiego i trzeciego rodzaju, zewnętrzne warunki brzegowe w przekroju pionowym: brzeg nieprzepuszczalny, powierzchnie zatopione, swobodne zwierciadło w warunkach ustalonych i nieustalonych bez zasilania i z zasilaniem infiltracyjnym, strefa wzniosu kapilarnego, powierzchnia swobodnego wypływu.

4.12. Wewnętrzne warunki brzegowe w obszarze niejednorodnym: załamanie linii prądu.

 

5. Filtracja w strefie aeracji

5.1. Kapilarność: ciśnienie kapilarne i wznios menisku wody, szczelina o wymiarach kapilarnych, rurka kapilarna, kapilara łańcuszkowa, wysokość wzniosu kapilarnego w gruncie, sorpcyjność kapilarna.

5.2. Współczynnik filtracji w strefie aeracji.

5.3. Modele matematyczne infiltracji przez strefę aeracji: Hortona, Greena i Ampta, Bindemana i Szestakowa, Schoellera.

5.4. Infiltracja palczasta.

5.5. Ciśnieniowy infiltrometr pierścieniowy: badanie infiltracji ustalonej i nieustalonej.

 

6. Schematy obliczeniowe filtracji w strefie saturacji

6.1. Uśrednianie wartości współczynnika filtracji: rozproszone punkty stwierdzeń, uśrednianie przewodności warstwy wodonośnej wzdłuż linii prądu, filtracja w obszarze anizotropowym, anizo­tropia w ośrodku o strukturze warstwowej, współczynnik anizotropii.

6.2. Jednowymiarowa filtracja ustalona w warstwie wodonośnej naporowej, swobodnej, naporowo-swobodnej i półnaporowej.

6.3. Dwuwymiarowa filtracja ustalona w płaszczyźnie poziomej: filtracja równomierna w warstwie wodonośnej naporowej i swobodnej, filtracja płasko-radialna w warstwie wodonośnej naporowej, swobodnej i naporowo-swobodnej.

6.4. Dwuwymiarowa filtracja ustalona w płaszczyźnie pionowej: filtracja przez zaporę ziemną jednorodną – rozwiązanie Dupuita i Pawłowskiego-Wieczystego, filtracja przez zaporę ziemną z półprzepuszczalnym rdzeniem.

6.5. Filtracja w strefach brzegowych morza: warunki równowagi statycznej, potencjał strumienia, filtracja swobodna i naporowa z powierzchnią rozdziału, studnia w strefie przybrzeżnej morza.

6.6. Wydajność źródeł.

 

7. Dopływy do ujęć wód podziemnych

7.1. Dopływ ustalony do studni zupełnej z warstwy wodonośnej naporowej, swobodnej i naporowo-swobodnej, wydatek jednostkowy, dopuszczalna prędkość dopływu wody do studni, zeskok hydrauliczny.

7.2. Dopływ ustalony do studni niezupełnej: metoda Girinskiego-Babuszkina, metoda Forchheimera – dopływ przez ścianki boczne, przez ścianki boczne i dno, z warstwy wodonośnej o dużej miąższości.

7.3. Dopływ do studni przez dno półsferyczne i płaskie – wzory Forchheimera, Czarnego i Babuszkina, studnie bezfiltrowe z lejem czerpnym, studnie z filtrami poziomymi – wzory Citriniego i Viberta.

7.4. Dopływ do studni w warunkach filtracji nieliniowej: filtracja turbulentna, filtracja mieszana, warstwy wodonośne swobodne i naporowe, studnie zupełne i niezupełne, zwierciadło wody schodzące poniżej spągu warstwy napinającej.

7.5. Ustalony promień leja depresji bez uwzględniania infiltracji – wzory Sichardta, Rogoża, Kusakina, Czarnego, Promień leja depresji z uwzględnieniem infiltracji – wzory Kerkisa, Surowa i Kazańskiego dla grupy studni, Sztelaka, Rogoża dla warstwy półnaporowej.

7.6. Dopływ do rowu dogłębionego i niedogłębionego.

7.7. Dopływ nieustalony do studni zupełnej w naporowej warstwie wodonośnej bez przesączania - metoda Theisa i przybliżenia logarytmicznego (Theisa-Jacoba), dopływy j.w. z uwzględnieniem przesączania – metoda Hantusha.

7.8. Nieustalony promień leja depresji – wzory Theisa, Webera, Kozeny’ego.

 

8. Oznaczanie współczynnika filtracji lub przewodności warstw wodonośnych

8.1. Uwagi ogólne

8.2. Próbne pompowanie w studniach w reżimie ustalonym: studnia zupełna w obszarze nieograniczonym – filtracja laminarna, warstwa wodonośna o zwierciadle napiętym i swobodnym – wzory Dupuita i Dupuit-Thiema, warstwa wodonośna półnaporowa z przesączaniem – metody von De Gleego, Hantusha-Jacoba, Rogoża, określanie przewodności na podstawie wydatku jednostkowego. Studnia niezupełna w obszarze nieograniczonym: warstwa wodonośna o zwierciadle napiętym i swobodnym – poprawki Forchheimera, Hantusha, Huismana, Jacoba. Próbne pompowanie w studniach w warunkach fluacji: warstwa wodonośna o zwierciadle napiętym i swobodnym.

8.3. Próbne pompowanie w studniach wielkośrednicowych z dopływem przez dno: poziom wodonośny o zwierciadle napiętym i dużej miąższości oraz ograniczonej miąższości: studnia o przekroju kołowym oraz kwadratowym i dnie półsferycznym (wypukłym) oraz płaskim. Poziom wodonośny o zwierciadle swobodnym, warstwa wodonośna o dużej miąższości i o ograniczonej miąższości.

8.4. Próbne pompowanie w reżimie nieustalonym: dopływ do studni z naporowego poziomu wodonośnego bez przesączania – metody graficzne Theisa, wersja numeryczna metody Theisa (sposób Rogoża), metoda przybliżenia logarytmicznego Jacoba, wersja numeryczna metody Jacoba (sposób Rogoża), metoda analityczna (sposób Rogoża), metoda Chowa. Dopływ do studni z półnaporowego poziomu wodonośnego z przesączaniem – metody Waltona, Hantusha, Fettera. Dopływ do studni ze swobodnego poziomu wodonośnego z opóźnionym przesączaniem – metoda Boultona.

8.5. Zalewanie studni, otworów wiertniczych, szybików lub szurfów: studnie chłonne z otwartym dnem w poziomie wodonośnym o zwierciadle napiętym i swobodnym. Otwory wiertnicze zafiltrowane lub bose – poziom wodonośny o zwierciadle napiętym i swobodnym. Zalewanie otworów, szybików lub szurfów w strefie aeracji – metody Nasberga i Kamieńskiego.

8.6. Analiza wzniosu zwierciadła wody – metody Forchheimera, Theisa, Rosłońskiego.

8.7. Próba nagłej zmiany ciśnienia (slug test) – metody Coopera-Bredehoefta-Papadopulosa, Hvorsleva, Bouwera i Rice’a, Van der Kampa.

8.8. Metody laboratoryjne: badanie w warunkach stałego spadku hydraulicznego za pomocą wody, za pomocą innych cieczy, za pomocą gazu. Badanie w warunkach zmiennego spadku hydraulicznego – rurka Kamieńskiego, rurka Kamieńskiego w wykonaniu GIG. Badanie za pomocą powietrza w aparacie podciśnieniowym.

8.9. Wzory empiryczne: wzory uwzględniające wyłącznie parametry składu ziarnowego piasku – wzory Hazena, Seelheima, amerykański. Wzory uwzględniające średnicę efektywną ziarna i porowatość – Slichtera, Krügera, Therzaghiego, Carmana-Kozeny’ego.

8.10. Metody polowe oznaczania współczynnika filtracji utworów półprzepuszczalnych: wtłaczanie wody otworem piezometrycznym – metoda PARAMEX, modyfikacja Rogoża. Wtłaczanie wody poprzez wciśnięty w grunt cylinder – metoda Marciniaka i in., modyfikacja Rogoża. Infiltrometr dwupierścieniowy – metoda Marciniaka i in., modyfikacja Rogoża.

8.11. Interpretacja wyników laboratoryjnego oznaczania współczynnika filtracji utworów półprzepuszczalnych: klasyczny permeametr do gruntów spoistych, permeametr ciśnieniowy wg projektu Rogoża.

 

9. Superpozycja rozwiązań podstawowych

9.1. Zasada superpozycji.

9.2. Współdziałanie studni w warunkach filtracji ustalonej: metoda Forchheimera, mzory Abramowa i Muskata.

9.3. Współdziałanie studni w warunkach filtracji nieustalonej.

9.4. Dopływy do studni z ograniczonego obszaru filtracji: metoda odbić zwierciadlanych – studnia w pobliżu granic zasilających, w pobliżu rzeki, między dwiema rzekami, w widłach dwóch rzek. Studnia w pobliżu granic szczelnych – w pobliżu pojedynczej granicy szczelnej, pomiędzy dwiema granicami szczelnymi, w pobliżu dwóch wzajemnie prostopadłych granic szczelnych. Studnia w pobliżu granic zasilającej i szczelnej – między rzeką i granicą szczelną, w pobliżu rzeki i prostopadłej do niej granicy szczelnej. Studnia w kołowym obszarze filtracji – granica zasilająca, granica szczelna.

9.5. Filtracja z zasilaniem infiltracyjnym: równomierna z zasilaniem, płasko-radialna z zasilaniem

9.6. Studnie w strumieniu filtracji równomiernej: pojedyncza studnia, studnie zasilająca i drenująca, dublet geotermalny, dwie studnie usytuowane prostopadle do strumienia.

9.7. Dren poziomy: dogłębiony i niedogłębiony w nieograniczonej warstwie wodonośnej. Superpozycja potencjału w filtracji sferyczno-radialnej – poziom wodonośny o zwierciadle swobodnym i napiętym, wzór Połubarinowej-Kocziny.

 

10. Ustalanie zasobów wód podziemnych

10.1. Zasoby statyczne grawitacyjne i sprężyste.

10.2. Zasoby odnawialne: ocena zasobów w strumieniu filtracyjnym, ocena na podstawie bilansu wodnego, ocena na podstawie wskaźnika infiltracji, ustalanie wskaźnika infiltracji metodą regresji zwierciadła wody.

10.3. Zasoby dyspozycyjne.

10.4. Zasoby eksploatacyjne.

 

11. Obsługa hydrogeologiczna kopalń

11.1. Pomiary wypływów i przepływów wód w wyrobiskach górniczych: wypływy ze szczelin i otworów wiertniczych, naczynia cechowane, pomiar parametrów strugi. Przepływy w ściekach kopalnianych: przelewy pomiarowe, pomiar pływakowy, krzywa konsumcyjna ścieku kopalnianego, przybliżona ocena natężenia przepływu w ścieku. Pomiary natężenia przepływu wody w rurociągach – zwężki pomiarowe

11.2. Pomiary ciśnienia wody w otworach wiertniczych.

11.3. Prognozowanie dopływów do kopalń: metody bilansowe – dopływy wód z zasobów statycznych, z zasobów sprężystych, z zasobów dynamicznych. Metoda wielkiej studni. Metody analogii hydrogeologicznej: metoda współczynnika wodoprodukcyjnego, zawodnienia jednostkowego, analogii wydobycia i depresji, analogii powierzchni eksploatacji i depresji, analogii Dupuit-Thiema. Metody statystyczne: zmodyfikowana metoda współczynnika wodoprodukcyjnego, linii trendu, trendu dopływu i wydobycia, regresji wielorakiej. Uwzględnianie różnicy głębokości.

11.4. Zjawiska geologiczno-inżynierskie towarzyszące procesom hydrogeologicznym: sufozja mechaniczna i kolmatacja gruntu, zagęszczenie gruntów luźnych.

11.5. Zmiany przepływów w ciekach i podtopienia terenu w nieckach obniżeniowych: obliczanie spiętrzenia wody w ciekach, analiza zmian poziomu wód gruntowych –spowodowanych spiętrzeniem wody w rzece, na brzegu niecki obniżeniowej, zmiany lokalne w wyniku poeksploatacyjnych deformacji terenu.

11.6. Przeciwdziałanie zagrożeniom wodnym: filary bezpieczeństwa w kopalniach węgla kamiennego: prostopadłe do uławicenia lub pionowe, równoległe do uławicenia lub poziome, wokół niezlikwidowanych otworów wiertniczych. Ocena szczelności filarów bezpieczeństwa. Filary bezpieczeństwa w kopalniach odkrywkowych. Tamy wodoszczelne w kopalniach: walcowe, ostrosłupowe, sferyczne, blokowe z wciosami, blokowe bez wciosów. Korki podsadzkowe. Odwadnianie zbiorników wodnych w zrobach: Pojemność wodna zrobów w kopalniach węgla kamiennego, czas odwadniania zbiornika w zrobach zawałowych, czas odwadniania zbiornika w zrobach podsadzkowych.

 

12. Migracja masy w wodach podziemnych

12.1. Procesy sorpcyjne: izotermy sorpcji, kinetyka sorpcji, zanik zanieczyszczenia.

12.2. Przenoszenie adwekcyjne: opóźnienie sorpcyjne, kinetyka sorpcji, prędkość przenoszenia adwekcyjnego z uwzględnieniem sorpcji.

12.3. Dyfuzja molekularna: roztworów pozostających w spoczynku, roztworów poruszających się, roztworów filtrujących przez ośrodek porowaty.

12.4. Dyspersja: hydrodynamiczna i całkowita: dyspersyjne przenoszenie substancji rozpuszczonych: strumień dyspersyjny jednowymiarowy i płasko-radialny – iniekcja ciągła i krótkotrwała. Dwuwymiarowy strumień dyspersyjny – iniekcja punktowa i liniowa ciągła, iniekcja punktowa krótkotrwała. Określanie parametrów dyspersji. Makrodyspersja.

12.5. Badania znacznikowe filtracji wód podziemnych: Modele matematyczne przepływu wskaźnika, Przenoszenie adwekcyjne bez uwzględnienia sorpcji, z uwzględnieniem natychmiastowej sorpcji oraz z uwzględnieniem kinetyki sorpcji. Przenoszenie adwekcyjno-dyspersyjne.

12.6. Wtłaczanie cieczy do górotworu: pojemność serii chłonnej, dopuszczalne ciśnienie wtłaczania, chłonność pojedynczego otworu tłocznego, efektywne ciśnienie wtłaczania, straty ciśnienia w rurociągu, straty ciśnienia na ściankach otworu, zasięg strefy wtłoczonej cieczy, zasięg nadciśnienia w warstwie wodonośnej.

 

13. Metody modelowania w hydrogeologii:

13.1. Wprowadzenie.

13.2. Metoda różnic skończonych: dyskretyzacja obszaru filtracji, ilorazy różnicowe. Równania różnicowe filtracji dwuwymiarowej: przewodności międzywęzłowe, filtracja ustalona w warstwie wodonośnej o zwierciadle napiętym i swobodnym, równania różnicowe filtracji nieustalonej. Rozwiązywanie równań liniowych filtracji ustalonej – metody Jacobiego, Gaussa-Seidela, nadrelaksacji, zmiennych kierunków. Rozwiązywanie równań nieliniowych filtracji ustalonej – metody potencjału strumienia, Picarda, Newtona. Rozwiązywanie równań filtracji nieustalonej –metody jawna, uwikłana, mieszana (Crank-Nicolsona).

13.3. Metoda elementów skończonych: dyskretyzacja obszaru i numeracja węzłów, funkcja kształtu, składanie elementów.

13.4. Programy komputerowe: biblioteka programów HYDRYLIB, system MODFLOW.

 

Aneks nr 1. Ważniejsze jednostki miar

Aneks nr 2. Tablice funkcji

Literatura (spis obejmuje 191 pozycji)

Indeks rzeczowy

Sprawdź również