Кіріспе

Жер асты суларының таралуы мен қозғалысын зерттеу – жер асты гидрологиясы. Гидрогеология (гидро – суды, ал геология – Жерді зерттеуді білдіреді) – Жер қыртысының топырағы мен тау жыныстарындағы (көбінесе сулы қабаттарда) жер асты суларының таралуы мен қозғалысын зерттейтін геология саласы. Жер асты сулары гидрологиясы, геогидрология және гидрогеология терминдері көбінесе бір-бірін алмастыра қолданылады. Гидрогеология – жер асты суының қозғалысын, осы судың механикалық, химиялық және жылулық өзара әрекеттесуін, сондай-ақ энергияның, химиялық құрамдастардың және бөлшектердің ағыс арқылы тасымалдануын реттейтін заңдарды зерттейді (Доменико және Шварц, 1998). Жер асты сулары инженерлігі – гидрогеологияның тағы бір атауы, ол жер асты суларының қозғалысымен және ұңғымалардың, сорғылардың және дренаждардың жобалануымен айналысатын инженерлік сала. Жер асты сулары инженерлігінің басты мәселелері – жер асты суларының ластануы, қорлардың сақталуы және су сапасы. Ұңғымалар дамып келе жатқан елдерде, сондай-ақ дамыған елдерде қалалық су жүйесіне қосылмаған жерлерде пайдалану үшін салынады. Ұңғымалар сулы қабаттың тұтастығын сақтау және ластаушылардың жер асты суларына енуіне жол бермеу үшін жобаланып, күтіліп тұруы керек. Жер асты суларын пайдалану жерүсті су жүйелеріне әсер еткенде немесе адамның қызметі жергілікті сулы қабат жүйесінің тұтастығына қауіп тудырғанда пікір қақтығыстары туындайды.

Кіріспе

Гидрогеология – салааралық ғылым; топырақ, су, табиғат және қоғам арасындағы химиялық, физикалық, биологиялық және тіпті құқықтық өзара әрекеттесуді толыққанды есепке алу қиын болуы мүмкін. Жер асты суларының қозғалысы мен геология арасындағы байланысты зерттеу өте күрделі. Жер асты сулары әрқашан жер бетінің бедеріне сәйкес келмейді; олар қысым градиенттерін (жоғары қысымнан төмен қысымға ағын) бақылайды, көбінесе жарықтар мен арналар арқылы қияу жолдармен өтеді. Көп компонентті жүйенің әртүрлі жақтарының өзара әрекеттесуін ескеру үшін тәжірибелік және теориялық деңгейде бірнеше түрлі сала бойынша білім қажет. Келесі мәтін қаныққан жер асты гидрологиясының әдістері мен терминологиясына дәстүрлі кіріспе болып табылады.

Гидрогеологияның басқа салаларға қатыстылығы

Гидрогеология, жоғарыда айтылғандай, жер ғылымдарының бір саласы болып табылады, ол су өткізгіш қабаттар және басқа да беткейдегі кеуекті орталар арқылы су ағынымен айналысады (әдетте жер бетінен 450 метрден төмен). Жер астындағы судың өте жақын ағысы (жоғарғы 3 метр) топырақ ғылымы, ауыл шаруашылығы және азаматтық инженерия салаларымен, сондай-ақ гидрогеологиямен байланысты. Сұйықтықтардың (су, көмірсутектер, геотермальдық сұйықтықтар және т.б.) терең қабаттардағы жалпы ағыны геологтар, геофизиктер және мұнай геологтары үшін де маңызды мәселе болып табылады. Жер асты сулары – бұл баяу қозғалатын, тұтқыр сұйықтық (Рейнольдс саны бірліктен кем); жер асты сулары ағынының эмпирикалық түрде алынған көптеген заңдарын сұйықтық механикасынан Стокс ағынының ерекше жағдайы ретінде (тұтқырлық және қысым шарттары, бірақ инерциялық шарт жоқ) алуға болады. Судың кеуекті орта арқылы ағынын сипаттауға қолданылатын математикалық қатынастар – Дарси заңы, диффузия және Лаплас теңдеулері, олар көптеген түрлі салаларда қолданылады. Жер асты суларының тұрақты ағысы (Лаплас теңдеуі) электрлік, серпімділік және жылу өткізгіштігі аналогияларын пайдалану арқылы модельдеуге болады. Жер асты суларының уақытша ағысы қатты денедегі жылудың диффузиясына ұқсас, сондықтан гидрологиялық проблемаларды шешудің кейбір әдістері жылу алмасу әдебиетінен алынған. Дәстүрлі түрде жер асты суларының қозғалысы жер үсті суларынан, климаттан және тіпті гидрогеологияның химиялық және микробиологиялық аспектілерінен бөлек зерттелді (процестер байланыссыз). Гидрогеология саласы дамыған сайын, жер асты сулары, жер үсті сулары, су химиясы, топырақ ылғалдылығы және тіпті климат арасындағы тығыз байланыс анық көріне бастады. Калифорния және Вашингтон штаттары гидрогеологтардың халыққа кәсіби қызметтер ұсынуы үшін арнайы сертификатталуын талап етеді. Жиырма тоғыз штат геологтардың өз қызметтерін халыққа ұсынуы үшін кәсіби лицензия алуын талап етеді, бұл көбінесе жер асты су ресурстарын дамыту, басқару және/немесе қалпына келтіру саласындағы жұмысты қамтиды. Мысалы: сулы қабаттардың суын азайту немесе суды тым көп пайдалану, сондай-ақ қазба суларды сору теңіз деңгейінің көтерілуіне себеп болуы мүмкін.

Су баспалары

Аквафер – жер беті астындағы судың жиынтығы, бұлақ немесе құдық үшін пайдалы болуға жеткілікті мөлшерде. Акваферлер шектелмеген, онда аквафердің жоғарғы шегі су көтерілімімен анықталады, немесе шектелген болуы мүмкін, онда аквафер шектеуші қабаттың астында орналасады. Акваферлердің сипатын анықтайтын үш фактор бар: стратиграфия, литология және геологиялық формациялар мен шөгінділер. Стратиграфия акваферді құрайтын көптеген формациялардың жасын және геометриясын көрсетеді. Литология – аквафердің минералдық құрамы және дән мөлшері сияқты физикалық құраушыларын білдіреді. Структуралық ерекшеліктер – шөгіндінен кейін деформациялардың нәтижесінде туындаған, мысалы, жарықтар мен бүктелулер сияқты элементтер. Осы факторларды түсіну аквафердің қалай қалыптасатынын және мамандардың оны жер асты суларын игеру үшін қалай пайдаланатынын түсіну үшін маңызды.

Гидравликалық бас

Гидравликалық бас (h) айырмашылығы судың бір жерден екінші жерге қозғалуына себеп болады; су жоғары h мәнінен төмен h мәніне ағады. Гидравликалық бас қысым бас (ψ) және биіктік бас (z) компоненттерінен тұрады. Бас градиенті – ағын жолының ұзындығына шаққандағы гидравликалық бас өзгеруі, және Дарси заңында шығынға пропорционал болып көрінеді. Гидравликалық бас – тікелей өлшенетін қасиет, ол кез келген мәнге ие болуы мүмкін (z мүшесіне байланысты шартты нөлдік нүктеге байланысты); ψ қысым датчиктерімен өлшенуі мүмкін (бұл мән теріс болуы мүмкін, мысалы, сору, бірақ қаныққан сулы қабаттарда оң), ал z – өлшенген нүктеге қатысты өлшенуі мүмкін (әдетте, құдық қабырғасының жоғарғы жағы). Көбінесе, ашық сулы қабаттарға бағытталған құдықтарда су деңгейі гидравликалық басқа шамамен тең деп есептеледі, егер қысымның тік градиенті болмаса. Көп жағдайда уақыт өте келе гидравликалық бас өзгерісі ғана қажет болады, сондықтан тұрақты биіктік бас мүшесін ескермеуге болады (Δh = Δψ). Уақыт бойынша құдықтан алынған гидравликалық бас жазбасы гидрограф деп аталады, ал сынақ кезінде құдықтан су сорғандағы гидравликалық бас өзгерісі – су деңгейінің төмендеуі.

Көлдірлілігі

Кеңістік (n) – тікелей өлшенетін су жинағыш қасиеті; бұл 0 мен 1 аралығындағы сан, ол біріктірілмеген топырақ бөлшектері арасындағы немесе жарықтанған тау жынысы ішіндегі бос кеңістіктің мөлшерін көрсетеді. Әдетте, жер асты суының көп бөлігі (және оның құрамындағы еріген заттар) ағынға қолжетімді кеңістік арқылы қозғалады (кейде тиімді кеңістік деп аталады). Өтімділік – кеңістіктердің байланысқандығын көрсетеді. Мысалы, жарықсыз тау жынысы бірлігінде көп саңылаулар болуы мүмкін, бірақ өтімділігі төмен болуы мүмкін (саңылаулардың ешқайсысы бірімен-бірі байланыспаған). Бұл құбылыстың мысалы – пемза, ол жарылмаған күйде нашар су жинағыш бола алады. Кеңістік су жинағыштарындағы гидравликалық еңістің таралуына тікелей әсер етпейді, бірақ еріген ластағыштардың қозғалысына күшті әсер етеді, себебі ол жер асты суларының ағыс жылдамдығына кері пропорционалды байланыс арқылы әсер етеді. Дарси заңы судың немесе басқа сұйықтықтардың кеуекті орта арқылы қозғалысын зерттеу үшін жиі қолданылады және көптеген гидрогеологиялық талдаулардың негізін құрайды.

Су мөлшері

Су мөлшері (θ) тікелей өлшенетін қасиет; ол тау жынысының жалпы көлемінің сұйық сумен толған бөлігін көрсетеді. Бұл да 0 мен 1 арасындағы шама, бірақ ол жалпы кеуектіліктен кем немесе оған тең болуы тиіс. Су мөлшері вадоза аймағының гидрологиясында өте маңызды, себебі гидравликалық өткізгіштік су мөлшеріне байланысты күшті бейсызық функция болып табылады; бұл қанықпаған жер асты су ағыны теңдеуін шешуді күрделендіреді.

Гидравликалық өткізгіштік

Гидравликалық өткізгіштік (K) және беріктік (T) – сулы қабаттың жанама қасиеттері (оларды тікелей өлшеу мүмкін емес). T – сулы қабаттың вертикальді қалыңдығы (b) бойынша интегралданатын K (T=Kb, егер K бүкіл қалыңдық бойынша тұрақты болса). Бұл қасиеттер сулы қабаттың суды өткізу қабілетін көрсетеді. Ішкі өткізгіштік (κ) – сұйықтықтың тұтқырлығы мен тығыздығына тәуелді емес екіншілік орта қасиеті (K және T суға қатысты); ол көбінесе мұнай өнеркәсібінде қолданылады.

Арнайы сақтау және нақты өнімділік

Арнайы сақтау (Ss) және оның тереңдік бойынша интегралданған шамасы, сақтағыштық (S=Ssb) – бұл сулы қабаттың жанама қасиеттері (оларды тікелей өлшеуге болмайды); олар шектелген сулы қабаттағы қысымның бірлікке төмендеуі салдарынан су қорынан босатылатын жер асты суының мөлшерін көрсетеді. Бұл шамалар 0 мен 1 арасындағы үлестер болып табылады. Нақты өнімділік (Sy) – де 0 мен 1 арасындағы қатынас (Sy ≤ кеуектілік) және ол еркін сулы қабаттағы су деңгейінің төмендеуінен дренаж нәтижесінде босатылатын су мөлшерін көрсетеді. Нақты өнімділік шамасы кеуектілік шамасынан кіші, себебі молекулалық күштердің әсерінен дренаж өткеннен кейін де судың бір бөлігі ортада қалады. Көбінесе кеуектілік немесе тиімді кеуектілік нақты өнімділіктің жоғарғы шегі ретінде қолданылады. Әдетте Sy шамасы Ss шамасынан бірнеше есе үлкен болады.

Жаңсық аймағының гидрогеологиясы

Жаңылма аймақтың гидрогеологиясы – бұзылғыш деформацияланған тау жыныстарының әртүрлі литологиялық ортадағы (мысалы, кластикалық, магмалық және карбонатты тау жыныстары) сұйық ағындарын қалай өзгертетінін зерттейді. Өтімділік ретінде өлшенетін сұйық қозғалысы, жаңылма аймағының болуына байланысты жеңілдеуі немесе қиынға түсуі мүмкін. Себебі, әртүрлі механизмдер мен деформацияланған тау жыныстары кеуектілікті өзгертеді, соның салдарынан жаңылма аймағындағы өтімділік те өзгереді. Мұндай сұйықтарға негізінен жер асты сулары (жаңа және теңіз сулары) және көмірсутектер (мұнай және газ) жатады. Жаңылма аймағы – бұл әлсіз аймақ, ол тозық аймағының қалыңдағын арттыруға және жер асты суларының қоректенуіне көмектеседі. Жаңылмалармен қатар, жарықтар мен қабаттар да, әсіресе қатты тау жыныстары жерлерінде, жер асты суларының қозғалысын жеңілдетеді. Жер асты суларының қайда ағатындығын түсінуден өзге, жоғарыда талқыланған гидрологиялық қасиеттерге сүйене отырып, еріген ластағыштардың жер асты суларымен қалай қозғалатынына әсер ететін қосымша сулы горизонт қасиеттері де бар.

Гидродинамикалық дисперсия

Гидродинамикалық дисперсиялық қасиет (αL, αT) – бұл ластаушы заттардың оны тасымалдайтын жер асты суының бағытынан қаншалықты ауытқуын сипаттайтын эмпирикалық фактор. Ластаушы заттардың бір бөлігі орташа жер асты суының ағысынан "артта" немесе "алдында" қалады, бұл бойлық дисперсиялық қасиетке (αL) әкеледі, ал қалғандары таза адвективті жер асты суы ағынының "жанында" болады, нәтижесінде көлденең дисперсиялық қасиет (αT) пайда болады. Жер асты суындағы дисперсияның себебі – әрбір су "бөлшегі" топырақ бөлшегінен өтетін кезде солға, оңға, жоғары немесе төменге қай бағытта жүретінін таңдауында. Осылайша, су "бөлшектері" (және олармен еріген заттар) орташа бағыттан барлық жаққа бірте-бірте таралады. Бұл топырақ бөлшектерінің масштабындағы "микроскопиялық" механизм. Бірақ ұзақ қашықтықта аквифердің макроскопиялық біртекті еместігі маңыздырақ болуы мүмкін, онда өткізгіштігі жоғары немесе төмен аймақтар болуы мүмкін. Сондықтан, кейбір сулар бір бағытта, ал басқалары басқа бағытта артықшылықты жол табады, нәтижесінде ластаушы заттар өзеннің (үш өлшемді) дельтасындағыдай, толығымен ретсіз таралуы мүмкін. Дисперсиялық қасиет – бұл біз модельдеп отырған жүйе туралы біліміміздің жетіспеушілігін көрсететін фактор. Аквифер туралы көптеген ұсақ бөлшектер макроскопиялық тәсіл қолданғанда тиімді түрде орташаланады (мысалы, құмды аквиферлердегі ұсақ қиыр тас және саз қабаттары); олар көзге көрінетін дисперсиялық қасиет ретінде көрінеді. Осы себепті, α-ның проблеманың ұзындық өлшеміне байланысты екендігі жиі айтылады – 1 м³ аквифер арқылы тасымалдау үшін есептелген дисперсиялық қасиет, сол аквифер материалының 1 см³ арқылы тасымалдау үшін есептелген дисперсиялық қасиеттен өзгеше болады.

Молекулалық диффузия

Диффузия – Альберт Эйнштейн бұл құбылысты Браун қозғалысы деп сипаттаған, газдар мен сұйықтықтардағы молекулалар мен кіші бөлшектердің кездейсоқ жылулық қозғалысын сипаттайтын негізгі физикалық құбылыс. Бұл құбылыс шағын қашықтықтар үшін маңызды (термодинамикалық тепе-теңдікке жету үшін қажетті), бірақ диффузия арқылы қашықтықты жүріп өтуге қажетті уақыт қашықтықтың квадратына пропорционал болғандықтан, макроскопиялық қашықтықтарға ерітінді тарату үшін тиімді емес. Диффузия коэффициенті, D, әдетте өте кішкентай болады, және оның әсерін көбінесе ескермеуге болады (жер асты суларының ағысының жылдамдығы өте төмен болмаса, мысалы, балшық су өткізбейтін қабаттарда). Диффузияны дисперсиямен шатастырмау керек, себебі біріншісі – физикалық құбылыс, ал екіншісі – эмпирикалық фактор, ол диффузия сияқты жазылады, өйткені біз осы мәселені қалай шешуді білеміз.

Адсорбция арқылы кідіру

Тергеу факторы – ластағыштың қозғалысын орташа жер асты суларының қозғалысынан ауытқытатын маңызды фактор. Ол хроматографиядағы кідіру факторымен салмақтас. Диффузия және дисперсия ластағышты ғана таратумен салыстырылса, тергеу факторы оның орташа жаһандық жылдамдығын өзгертеді, нәтижесінде ол судан әлдеқайда баяу жылжуы мүмкін. Бұл химиялық-физикалық әсерге байланысты: ластағышты топыраққа адсорбциялау, ол ластағышты ұстап тұрып, химиялық адсорбция тепе-теңдігіне жеткенге дейін оның ілгерілеуіне кедерес жасайды. Бұл әсер, әсіресе, нашар ерігіш ластағыштар үшін маңызды, олар судан жүздеген, тіпті мыңдаған есе баяу қозғалуы мүмкін. Осы құбылыстың салдары – тек жақсы ерігіш заттар ғана ұзақ қашықтықтарға жете алады. Тергеу факторы ластағыш пен сулы горизонттың химиялық қасиеттеріне байланысты болады.

Генри Дарси: 19 ғасыр

Генри Дарси – француз ғалымы, ол кеуекті материалдар арқылы сұйықтардың ағынына қатысты маңызды жаңалықтар жасады. Ол құм колонналары арқылы сұйықтардың қозғалысын зерттеу үшін тәжірибелер жүргізді. Осы тәжірибелер нәтижесінде Дарси заңы анықталды, ол жоғары кеуектілігі бар орта арқылы сұйық ағынын сипаттайды. Дарсидің еңбегі сандық гидрогеологияның негізін қалаушы деп есептеледі.

Оскар Эдвард Майнзер: ХХ ғасыр

Оскар Эдвард Майнзер – "қазіргі кездегі жер асты сулары гидрологиясының әкесі" деп жиі аталатын американдық ғалым. Ол осы саланың негізгі терминдерін стандартизациялады, сондай-ақ олардың пайда болуы, қозғалысы және шығуына қатысты принциптерді анықтады. Су ағынының Дарси заңына бағынатынын ол дәлелдеді. Ол сонымен қатар, жер асты суларын зерттеу үшін геофизикалық әдістерді және ұңғымалардағы тіркегіштерді пайдалануды ұсынды, ал су жинағыштардың қасиеттері туралы сандық мәліметтерді жинау үшін сорғылау сынақтарын өткізуді ұсынды. Майнзер судың геохимиясын зерттеудің маңыздылығын, сондай-ақ су жинағыштардағы жоғары тұздылық деңгейінің әсерін де атап өтті.

Дарси заңы

Дарси заңы – 1856 жылы Генри Дарси эксперименталды жолмен шығарған құралымдық теңдеу. Бұл теңдеуге сәйкес, белгілі бір сулы қабаттың берілген бөлігі арқылы өтетін жер асты суының мөлшері, ағынның көлденең қимасының ауданына, гидравликалық градиентке және гидравликалық өткізгіштікке пропорционалды болады.

Жер асты суларының ағыны теңдеуі

Жер асты суларының ағысы теңдеуі, ең жалпы түрінде, кезекті ортада (суқоймалар мен су өткізбейтін қабаттарда) жер асты суларының қозғалысын сипаттайды. Математикада бұл теңдеу диффузия теңдеуі деп аталады және басқа салаларда көптеген ұқсас теңдеулер бар. Жер асты сулары ағысы мәселелеріне қатысты көптеген шешімдер жылу алмасу мәселелерінде қолданылатын шешімдерден алынып немесе бейімделген. Теңдеу көбінесе Дарси заңы мен кішкентай бақылау көлемі үшін масса сақталу принципін қолдана отырып, физикалық негізде туындытылады. Теңдеу көбінесе радиалды симметрияға ие ұңғымаларға ағынды болжау үшін қолданылады, сондықтан ағыс теңдеуі көбінесе полярлық немесе цилиндрлік координаттарда шешіледі. Тейс теңдеуі – жер асты суларының ағысы теңдеуінің ең көп қолданылатын және негізгі шешімдерінің бірі; ол бір немесе бірнеше сорғы станцияларының жұмысынан туындаған бастаудың уақытша өзгеруін болжау үшін қолданылады. Тием теңдеуі – ұңғымаға ағынды жер асты суларының тұрақты ағыс теңдеуінің (Лаплас теңдеуі) шешімі. Егер жақын маңда үлкен су көздері (өзен немесе көл) болмаса, нақты тұрақты жағдайға жету сирек кездеседі. Жоғарыда аталған екі теңдеу де суқойманы сынауларда (сорғылық сынауларда) қолданылады. Хугхоудт теңдеуі – құбырлар, дренаждық плиткалар немесе арықтар арқылы жер асты суларын дренаждауға қолданылатын жер асты суларының ағысы теңдеуі. Жер асты суларын құдықтар арқылы дренаждау – жер асты суларын дренаждаудың баламалы әдісі болып табылады, оған да жер асты суларының ағынына қатысты теңдеулер бар.

Талдау әдістері

Аналитикалық әдістер әдетте математиканың құрылымын қолданып, қарапайым, әдемі шешімге жетуге тырысады, бірақ ең қарапайым домен геометриясынан басқа барлық жағдайларда қажетті есептеулер өте күрделі болуы мүмкін (стандартты емес координаттар, конформды бейнелеу және т.б. қатысты). Аналитикалық шешімдер көбінесе бірнеше негізгі параметрлерге сүйенетін және жылдам жауап бере алатын теңдеу түрінде болады. Тейс теңдеуі – жер асты су ағыны теңдеуіне өте қарапайым (бірақ әлі де өте пайдалы) аналитикалық шешім, ол көбінесе артезиандық қабаттарды сынау немесе импульстік сынау нәтижелерін талдау үшін қолданылады.

Сандық әдістер

Сандық әдістер тақырыбы өте кең, инженерлік және жалпы ғылымның көптеген салалары үшін пайдалы. Сандық әдістер компьютерлер пайда болғанға дейін де қолданылып келді (1920 жылдары Ричардсон қазірге дейін қолданылып жүрген кейбір шекті айырма схемаларын жасады, бірақ олар қағаз бен қарындашпен, адам "есептеушілермен" қолмен есептелген). Бірақ, жылдам және арзан жеке компьютерлердің қолжетімділігі арқасында олардың маңыздылығы арта түсті. Гидрогеологияда қолданылатын негізгі сандық әдістерге және кейбір негізгі принциптерге төмендегідей шолу жасалған, олар туралы толық ақпарат Жер асты суларының моделі мақаласында талқыланады. Сандық әдістердің екі негізгі категориясы бар: торлы немесе дискретті әдістер және торсыз немесе торлықсыз әдістер. Көп қолданылатын шекті айырма әдісі мен шекті элемент әдісінде (FEM) домен толығымен торға бөлінеді ("кішкентай элементтердің торы немесе желісімен кесіледі"). Аналитикалық элемент әдісі (AEM) және шекаралық интегралдық теңдеу әдісі (BIEM – кейде BEM немесе Шекаралық элемент әдісі деп те аталады) тек шекараларда немесе ағын элементтері (сызықтық тұнбалар, аудандық көздер және т.б.) бойында дискреттеледі, ал доменнің көп бөлігі торлықсыз болады.

Торлы әдістердің жалпы қасиеттері

Желілі әдістер, мысалы, шекті айырмашылық және шекті элементтер әдістері, жер асты суларының ағысы теңдеуін шешу үшін проблемалық аймақты (доменді) көптеген кішкентай элементтерге (төртбұрыштар, тіктөртбұрыштар, үшбұрыштар, блоктар, тетраэдрлер және т.б.) бөледі. Содан кейін әрбір элемент үшін ағыс теңдеуі шешіледі (элемент ішіндегі барлық материалдық қасиеттер тұрақты немесе сызықты түрде өзгеретін деп есептеледі), ал барлық элементтер элементтер арасындағы шекаралардағы масса сақталу принципі арқылы байланыстырылады (дивергенция теоремасына ұқсас). Бұл жер асты суларының ағысы теңдеуін жақындап шығаратын, бірақ шекаралық шарттарға (бас немесе ағыс) дәл сәйкес келетін жүйеге әкеледі. Шекті айырмашылықтар – үздіксіз дифференциалдық операторларды дискретті аралықтар (Δx және Δt) арқылы бейнелеу тәсілі, ал шекті айырмашылықтар әдістері осы аралықтарға негізделген (олар Тейлор қатарынан туындайды). Мысалы, бірінші реттік уақыт туындысы көбінесе келесі алдыңғы шекті айырмашылық арқылы жуықталады, мұнда төменгі индекстер дискретті уақыт орнын көрсетеді. Алдыңғы шекті айырмашылықтың жуықтауы шартсыз тұрақты, бірақ ол имплицитті теңдеулер жиынтығына әкеледі (оларды матрицалық әдістерді қолдану арқылы шешу қажет, мысалы, LU немесе Чолески ыдырауы). Осыған ұқсас, кері айырмашылық тек шартты түрде тұрақты, бірақ ол эксплицитті және уақыт бойынша "қозғалуға" пайдаланылуы мүмкін, бір тор түйінін бір кезде шешеді (немесе, мүмкін, параллель түрде, өйткені бір түйін тек тікелей көршілеріне байланысты). Шекті айырмашылық әдісінің орнына кейде кеңістікте Галеркин FEM жуықтауы қолданылады (бұл құрылыс инженериясында жиі қолданылатын FEM түрінен өзгеше), ал уақыт бойынша шекті айырмашылықтар қолданылады.

Шекті айырмашылық модельдерін қолдану

MODFLOW – жалпы шекті айырмалылық әдісімен жер асты суы ағынын модельдеудің кеңінен танымал мысалы. Ол АҚШ Геологиялық қызметімен жер асты суы ағынын модельдеуге арналған модульдік және кеңейтілмелі модельдеу құралы ретінде әзірленген. Бұл USGS әзірлеген, құжаттаған және таратып жүрген ақысыз бағдарламалық қамтамасы. Оның негізінде көптеген коммерциялық өнімдер пайда болды, олар кіріс файлдарына негізделген интерфейске графикалық пайдаланушы интерфейстерін ұсынады және көбінесе пайдаланушы деректерін алдын ала және кейін өңдейді. MODFLOW кіріс және шығыс деректерімен жұмыс істеу үшін көптеген басқа модельдер құрылды, бұл бірнеше гидрологиялық процестерді (ағын және тасымалдау модельдері, жерүсті және жер асты сулары модельдері, химиялық реакция модельдері) модельдейтін байланысты модельдерді жасауға мүмкіндік береді, себебі MODFLOW қарапайым және жақсы құжатталған.

Шекті элементтік модельдерді қолдану

Соқтық элементтер бағдарламалары дизайн жағынан икемдірек (үшбұрышты элементтерге қарағанда көптеген шекті айырмашылық модельдерінде қолданылатын блок элементтер) және бірнеше бағдарламалар бар (SUTRA, USGS-тің тығыздыққа тәуелді 2D немесе 3D ағын моделі; Hydrus, коммерциялық қанықпаған ағын моделі; FEFLOW, жер асты ағындары, ерітінділер және жылу тасымалдау процестері үшін коммерциялық модельдеу ортасы; OpenGeoSys, кеуекті және жарықтанған ортадағы термогидромеханикалық химиялық (THMC) процестерге арналған ғылыми ашық кодты жоба; COMSOL Multiphysics (коммерциялық жалпы модельдеу ортасы), FEATool Multiphysics – пайдалануға оңай MATLAB симуляциялық құралдар жинағы және Integrated Water Flow Model (IWFM), бірақ олар әлі де тәжірибелі гидрогеологтар арасында MODFLOW сияқты кең таралмаған. Соқтық элементтік модельдер университеттер мен зертханалық ортада жиі қолданылады, онда мамандандырылған модельдер ағын теңдеуінің стандартты емес түрлерін шешеді (қанықпаған ағын, тығыздыққа тәуелді ағын, біріктірілген жылу және жер асты сулары ағыны және т.б.).

Шекті көлемді модельдерді қолдану

Шекті көлем әдісі — алгебралық теңдеулер түрінде бөлшектік дифференциалдық теңдеулерді бейнелеу және есептеу әдісі. Шекті айырма әдісіне ұқсас, мәндер торлы геометрияның дискретті нүктелерінде есептеледі. "Шекті көлем" — тордың әрбір тораптық нүктесін қоршап тұрған шағын көлемді білдіреді. Шекті көлем әдісінде дивергенция мүшесін қамтитын бөлшектік дифференциалдық теңдеудегі көлемдік интегралдар дивергенция теоремасын қолдана отырып, беттік интегралдарға түрлендіріледі. Бұл мүшелер содан кейін әрбір шекті көлемнің бетіндегі ағындар ретінде есептеледі. Белгілі бір көлемге кіретін ағын, оған іргелес көлемнен шығатын ағынмен сәйкес келетіндіктен, бұл әдістер консервативті болып табылады. Шекті көлем әдісінің тағы бір артықшылығы — ол құрылымдалмаған торларды қолдануға мүмкіндік беретін оңай құрастырылуы. Бұл әдіс көптеген есептеу сұйықтық динамикасы пакеттерінде қолданылады. PORFLOW бағдарламалық пакеті — Аналитикалық және есептеулік зерттеулер, Inc., ACRi компаниясы әзірлеген жер асты су ағынын және ядролық қалдықтарды басқаруды модельдеуге арналған кешенді математикалық модель. FEHM бағдарламалық пакетін Лос-Аламос Ұлттық зертханасынан тегін алуға болады. Бұл әмбебап кезекті ағынды симулятор көп фазалы, жылулық, кернеу және көп компонентті реактивті химияны модельдеу мүмкіндіктерін қамтиды. Аталған кодты қолданудағы қазіргі жұмыстарға метан гидратының пайда болуын, CO2 тұтқындауын, мұнай кеніштерінен шикі мұнайды өндіруді, ядролық және химиялық ластаушылардың қозғалысын, қанықпаған аймақтағы қоршаған ортаның изотоптарының қозғалысын және карст құрылымдарының пайда болуын модельдеу кіреді.

Басқа әдістер

Бұларға аналитикалық элементтер әдісі (AEM) және шекаралық элементтер әдісі (BEM) сияқты желісіз әдістер жатады, олар аналитикалық шешімдерге жақынрақ, бірақ қандай да бір деңгейде жер асты сулары ағысы теңдеуін жуықтап есептейді. BEM және AEM шекаралық шарттарды жуықтап есептегенде, жер асты сулары ағысы теңдеуін (нақты массалық баланс) дәл шешеді. Бұл әдістеріңіз көбірек дәлдікке ие және аналитикалық әдістер сияқты тартымды шешімдер бере алады, бірақ олар әзірге академиялық және ғылыми топтардан тыс кеңінен қолданылмаған.

Су бұрғылары

Су құдығы – бұрғылау немесе қазу арқылы жер асты суын жер бетіне шығару және оны сорғымен немесе шелектер сияқты құрылғыларды қолдану арқылы көтеруге арналған механизм. Су құдықтарының алғашқы тарихи мысалы б.з.д. 52 ғасырында қазіргі Австрия аумағында кездескен. Бүгінде құдықтар бүкіл әлемде қолданылады, дамып келе жатқан елдерден бастап АҚШ-тың қалалық аймақтарына дейін. Құдықтардың үш негізгі түрі бар: беткей, терең және артезиандық. Беткей құдықтар шексіз сулы қабаттарға жетеді және әдетте 15 метрден кем тереңдікте болады. Беткей құдықтардың диаметрі кішкентай, көбінесе 15 сантиметрден аспайды. Терең құдықтар шектеулі сулы қабаттарға жетеді және әрқашан машинамен бұрғыланады. Барлық терең құдықтар суды жер бетіне шығару үшін механикалық сорғыларды пайдаланады. Артезиандық құдықтарда су сорғы немесе басқа да механикалық құрылғыларсыз табиғи түрде ағып шығады. Бұл құдықтың жоғарғы бөлігі су деңгейінен төмен орналасқандықтан болады.

Фрекинг

Фрекинг салдарынан жер асты суларының ластануы ұзақтан бері талқыланып келеді. Гидравликалық жарылыс кезінде көбінесе қолданылатын химиялық заттарды мемлекеттік органдар, жер асты суларына фрекингтің әсерін анықтауға жауапты болғандықтан, тексермейді. Сондықтан, АҚШ Қоршаған ортаны қорғау агенттігінің (EPA) зертханалары фрекингте қолданылатын химиялық заттардың жақын жердегі сулы қабаттарда бар-жоғын анықтауда қиындыққа келіп отыр. 2016 жылы EPA ауыз судың фрекинг арқылы ластануы мүмкін екенін көрсететін есеп жариялады. Бұл, фрекингтің жергілікті ауыз суға тигізетін әсері туралы 29 миллион долларлық зерттеуден кейін олардың бұрынғы саясатынан бас тартуы болды.

Калифорния

Калифорниядағы жер асты суларын пайдаланудағы ең ірі даулар Калифорнияның құрғақ жағдайлары, жоғары халық тығыздығы және қарқынды ауыл шаруашылығы салдарынан туындайды. Даулар көбінесе жер асты суларын сорғылап, аймақтан шығару, коммерциялық компаниялардың суды теңсіз пайдалануы және құрылыс жобаларынан туындаған жер асты суларының ластануына байланысты болады. Солтүстік Калифорниядағы Сискию округінде Калифорнияның Жоғарғы соты нашар жер асты суларын реттеу Скотт өзеніндегі су ағынын азайтып, лососьтің табиғи мекендеу ортасын бұзғанын анықтады. Калифорнияның орталық бөлігіндегі Оуэнс аңғарында жер асты сулары балық шаруашылықтарында пайдаланылды, нәтижесінде жергілікті шалғынды далалар мен басқа да экожүйелер құрды. Бұл балық компанияларына қарсы сот процесіне және келісімге әкелді. Оңтүстік Калифорниядағы құрылыс жергілікті су қоймаларына қауіп төндіріп, құрылыс және адамдардың күнделікті қызметінен туындаған жер асты суларының ластануына себеп болуда. Мысалы, Сан-Бернардино округіндегі күн энергиясын пайдалану жобасы 1,3 миллион куб метрге дейін жер асты суын пайдалану арқылы құс және жануарлар түрлерінің экожүйесіне қауіп төндіруі мүмкін, бұл Харпер көліне әсер етуі ықтимал. 2014 жылдың қыркүйегінде Калифорнияда Тұрақты Жер Асты Суларын Басқару заңы қабылданды, ол пайдаланушылардан жер асты суларын тиісінше басқаруды талап етеді, себебі олар жер бетіндегі су жүйелерімен байланысты.

Жер асты сулары инженерлік/гидрогеологиясының жаңа үрдістері

Мыңдаған жылдар бұрын алғашқы құдықтар жасалғаннан бері, жер асты сулары жүйелері адам қызметінің әсерінен өзгере бастады. Елу жыл бұрын осы жүйелердің тұрақтылығы кеңінен қарастырыла бастады және жер асты сулары инженериясының негізгі мәселесіне айналды. Жаңа идеялар мен зерттеулер жер асты суларын сақтауды ескере отырып, 21-ғасырда жер асты сулары инженериясын одан әрі дамытуға мүмкіндік беруде.

Топографиялық карталау

Топографиялық карта жасауда тұрақтылықты арттыру үшін жаңа жетістіктер пайда болды. Топографиялық карталар радар технологиясымен жаңартылды, ол жер бетіне еніп, алаңдатарлық аймақтарды анықтауға көмектеседі. Сонымен қатар, ірі есептеулер жиналған карта деректерін пайдаланып, соңғы жылдары жер асты суының қоймалары туралы білімді дамытуға мүмкіндік берді. Бұл өте күрделі және жекелендірілген су айналымы модельдерін құруға жағдай жасады, бұл жер асты суының тұрақтылығын нақты жағдайларға бейімдеуге көмектесті.

АҚШ-тағы жер асты суларына тәуелділік

АҚШ-та ауыз судың 51 пайызы жер асты суларынан түседі. Шамамен 99 пайыз ауылдық халық жер асты суларына тәуелді. Бұдан өзге, елдің барлық жер асты суының 64 пайызы суаруға жұмсалады, ал қалғаны өнеркәсіптік процестерге және көлдер мен өзендерді толықтыруға пайдаланылады. 2010 жылы АҚШ-та қолданылған тұщы судың 22 пайызы жер асты суларынан, ал 78 пайызы жер беті суларынан алынған. Жер асты сулары, таза суға қол жеткізе алмайтын кейбір штаттар үшін өте маңызды. Жер асты суының 65 пайызы суаруға, ал 21 пайызы тұтынуға, яғни ішуге және басқа да қажеттерге жұмсалады.

Жалпы гидрогеология

Доменико, П. А. & Шварц, В., 1998 ж. Физикалық және химиялық гидрогеология екінші басылымы, Уайли. – Консультанттарға арналған жақсы кітап, көптеген нақты мысалдар келтірілген және қосымша тақырыптар қамтылған (мысалы, жылу ағыны, көп фазалы және қанықпаған ағын). Дрисколл, Флетчер, 1986 ж. Жер асты сулары мен құдықтар, US Filter / Johnson Screens. – Су ұңғымаларын бұрғылау, дамыту және пайдалану процесін көрсететін практикалық кітап, бірақ бұл коммерциялық кітап болғандықтан, материалдың бір бөлігі Johnson Well Screens өнімдеріне бағытталған. Фриз, Р. А. & Черри, Дж. А., 1979 ж. Жер асты сулары, Prentice Hall. – Классикалық оқулық; Доменико мен Шварцтың ескі нұсқасы сияқты. де Марсили, Г., 1986 ж. Санатты гидрогеология: Инженерлер үшін жерасты сулары гидрологиясы, Academic Press, Inc., Орландо, Флорида. – Математикалық білімі бар инженерлерге арналған классикалық кітап, бірақ оны гидрологтар мен геологтар да оқи алады. Гидрогеологиялық процестерге жақсы және қолжетімді шолу. Порджес, Роберт Е. & Хаммер, Мэтью Дж., 2001 ж. Гидрогеология жинағы, Ұлттық жер асты сулары қауымдастығы. – Практикалық гидрогеологтар жазған, бұл анықтамалық гидрологиялық терминдерге, теңдеулерге, маңызды физикалық параметрлерге және аббревиатураларға қысқаша және пайдалануға оңай анықтама береді. Тодд, Дэвид Кит, 1980 ж. Жер асты сулары гидрологиясы екінші басылымы, John Wiley & Sons. – Нақты мысалдармен жағдайлар мен практикалық мәселелер. Феттер, С. В. Ластану гидрогеологиясы екінші басылымы, Prentice Hall. Феттер, С. В. Қолданбалы гидрогеология төртінші басылымы, Prentice Hall.