12 мая 2007 г.

Подземное движение воды

В своем стремлении проникнуть как можно глубже в недра земли спелеолог неизбежно выходит к подземным водотокам, которые свободно текут между каменными стенами или полностью заполняют округлые каналы-сифоны. Знание их особенностей необходимо и карстологу, и спортсмену. Без него не ответить на бесчисленные "почему", возникающие при изучении карста.

Прежде всего, каковы параметры подземных потоков? На заре спелеологии своеобразным порогом был расход в десятки литров в секунду. Если он превышал два ведра (примерно 20 л/с), то исследования считались невозможными. Шли годы. Менялись снаряжение, техника и тактика, и в конце XX в. зародилось новое направление: работа при расходах подземных потоков сотни м3/с... Именно такие расходы имеют в малую воду подземные реки, обнаруженные в Индонезии, Малайзии, Папуа-Новой Гвинее.

Второй параметр - скорость течения. Следует различать среднюю и местную скорости. Средняя скорость характеризует подземный водоток на всем его протяжении и определяется с помощью запуска красителя или использования других способов индикации. По данным более тысячи экспериментов, в разных районах мира она составляет 2,5 км/сут (0,03 м/с). Максимальная средняя скорость, полученная в массиве Пинаргезю в Турции, почти на два порядка выше - 155 км/сут. (1,3 м/с). Отдельные замеры, выполненные в основном в пещерах Европы, дают максимальные значения местной скорости до 10 м/с (по правилам горного туризма преодолевать водные преграды можно только при скоростях движения воды до 1 м/с...). Но спелеологу надо не просто преодолеть поток, но работать в нем.

Скорости, рассмотренные выше, это те, с которыми движется отдельная частица воды, проходящая путь от точки А до точки Б. Но ведь в воде могут возникать и волны... Проделаем простой мысленный эксперимент: возьмем заполненную водой 600-метровую трубу с двумя закрытыми вентилями на концах. Откроем их и посмотрим, как скоро придет в движение вода у вентиля Б. Это произойдет после "добегания" звуковой волны, которая распространяется в воде со скоростью примерно 1,5 км/с. Проделав простой расчет (t = 0,6/1,5), получим, что это произойдет практически мгновенно (через 0,4 с). А вот краска, запущенная у вентиля А, при средней скорости движения воды в трубе 0,03 м/с появится у вентиля Б через 20 тыс. секунд (5,5 часа). Именно комбинация этих двух процессов, осложненных местными условиями (пещера - это не труба), определяет удивительное поведение карстовых источников, связанных с сифонными системами.

Следующий очень важный вопрос: как движется вода. Давно известно, что имеются ламинарные и турбулентные потоки. При ламинарном движении струйки жидкости движутся строго в одном направлении, очень экономно расходуя свою энергию; при турбулентном - они пересекаются, быстро теряя энергию. Английский гидродинамик О. Рейнольдс еще в 60-е гг. XIX в. предложил специальный критерий для их разделения. Он дал им такую образную характеристику: "Жидкость можно уподобить отряду воинов, ламинарное течение - монолитному походному строю, турбулентное - беспорядочному движению. Скорость жидкости и диаметр трубы - это скорость и величина отряда, вязкость - дисциплина, а плотность - вооружение. Чем больше отряд, быстрее его движение и тяжелее вооружение, тем раньше распадется строй. Турбулентное движение возникает в жидкости тем быстрее, чем выше ее плотность, меньше вязкость, больше скорость и диаметр трубы". В карстовых полостях происходит непрерывная смена видов движения: и в пространстве (вниз по течению реки), и во времени (в высокую и малую воду). Это создает большие трудности при практических расчетах, так как ламинарное и турбулентное движения описывают разные уравнения гидродинамики.

Следующая особенность движения подземных вод - неразрывность потока, обоснованная еще в XVIII в. Д. Бернулли. Генеральная идея очень проста: если какой-то неизменный объем жидкости перемещается по трубе с расширениями или сужениями, то он должен двигаться с разной скоростью: быстрее - в сужениях, медленнее - в расширениях. Облеченный в строгую математическую форму (сумма энергий давления, положения и кинетической в любом поперечном сечении постоянна), он стал мощным оружием в руках гидрологов и гидрогеологов. С его помощью удалось объяснить множество прихотей движущейся воды, этого "мира без форм".

В спелеологии критерий Рейнольдса и уравнение Бернулли определяют морфологию образующихся полостей, характер их поверхностей, особенности размыва стенок, переноса и отложения твердых частиц и многое-многое другое. Далеко не все загадки подземного мира еще разгаданы. Одна из них - "холодное кипение".

...Весной 1915 г. в Атлантический океан вышел новый английский миноносец "Деринг". По проекту скорость его должна была вдвое превышать достигнутую ранее. Машины работали на максимальных оборотах, корабль дрожал, вода за кормой кипела, а скорость не увеличивалась. На базу он вернулся с изуродованными непонятными углублениями гребными винтами. Так ученые впервые столкнулись с кавитацией (от латинского - пустота). Если спросить специалиста-гидравлика, возможна ли кавитация в пещерах, он уверенно ответит "нет", так как там не бывает достаточно высоких скоростей движения воды. И ошибется.

Физика процесса кавитации довольно проста. Вода при обычном давлении (1 атм.) кипит при 100 °С. Но если понизить давление до 0,006-0,043 атм., то кипение возможно в диапазоне температур 0-30 °С. На поверхности обтекаемых движущейся водой или движущихся в ней предметов образуются каверны - пузырьки, наполненные парами воды. Образуясь в зоне пониженного давления и исчезая (конденсируясь, растворяясь) там, где давление выше, пузырьки меняют характер течения, вызывая большие потери энергии, шум и кавитационную эрозию обтекаемых поверхностей. Особенно агрессивны пузырьки в момент исчезновения ("схлопывания"), которое происходит практически мгновенно. Частицы жидкости, окружающей пузырек, с огромной скоростью устремляются в освободившееся пространство, ударяясь друг о друга. На этих участках давление повышается до 100 тысяч атм. Исчезновение пузырьков напоминает взрыв микроскопической мины. Если обтекаемые поверхности могут растворяться, то возникает кавитационная коррозия: парциальное давление СО2 в пузырьках воздуха, растворенных в воде, выше, чем в атмосфере.

Кавитация наблюдается на лопастях быстро вращающихся гребных винтов, турбин, насосов, в водоводных тоннелях электростанций. Опыты показали, что для ее возникновения нужны скорости потока более 6 м/с. Но ведь в пещерах отмечены местные скорости до 10 м/с! Так возникает самовозбуждающийся процесс: сперва начинается кавитационная коррозия, затем зарождаются микровпадины и гребешки, усиливающие ее. Возможна кавитация и при падении капель воды. Фотосъемка со скоростью 1000 кадров в секунду показала, что в момент "приземления" капля сперва сплющивается, а затем растекается со скоростью, достаточной для возникновения кавитации.

В последние годы выяснилось, что кавитация может возникать и при отсутствии движения. Если в жидкости, омывающей неподвижные поверхности, вследствие сейсмических или иных причин возникают ультразвуковые волны, то во впадинах формируются пузырьки газа, исчезающие на гребнях. Сильная кавитация отмечена также в морских пещерах, находящихся в зоне прибоя, а также - во фреатических полостях при движении воды через каналы, разделенные перемычками. Так что спелеолог, не подозревая об этом, не раз сталкивается с проявлениями кавитации.

Итак, мы кратко рассмотрели некоторые особенности поведения парообразной и капельно-жидкой воды под землей. О воде в твердой фазе (лед) поговорим дальше. А сейчас попробуем подвести некоторые итоги.

Гидрогеология как самостоятельная наука сложилась в начале XX в., в основном на основе изучения закономерностей ламинарного движения в поровых средах (песок). В середине XX в. в ней выделилось направление, посвященное трещинным коллекторам, в которых часто наблюдается турбулентное движение. В конце XX в., в связи с хозяйственным освоением закарстованных территорий и развитием спелеологии, начала складываться гидрогеология карста. По аналогии хотелось бы сказать, что это раздел, посвященный каверновым коллекторам с турбулентным движением, но это будет ошибкой. В природе все много сложнее.

На рис. 60 объединены две треугольные диаграммы, предложенные американским геологом Т. Аткинсоном. Принципы их построения очень просты: основания равностороннего треугольника отвечают 0%, жирные линии - 25%, вершины - 100% количеств данного признака. Так выделяются поля поровых (П), трещинных (Т), каверновых (К), смешанных двойных (ТП, КП, КТ) и тройных (КТП) коллекторов. Штриховка соответствует трем формам движения воды в них: турбулентной (1), ламинарной (2) и смешанной (3). Следовательно, если мы имеем дело с карстом, где в разных соотношениях встречаются К, Т, П, КТ, КП, ТП и КТП-коллекторы, то в нем должны иметь место в основном турбулентное и смешанное движения воды.

Несмотря на обилие работ, посвященных гидрогеологии карста, это все еще "наука будущего". Необходимо найти теоретические решения и разработать расчетные характеристики, дающие ответы на ряд нерешенных вопросов. С позиций гидрогеолога любой горный массив - "черный ящик", о процессах, происходящих внутри которого, можно лишь догадываться по реакциям, наблюдаемым на входе (в области питания) и на выходе (в области разгрузки). Карстовый массив, являясь очень трудным объектом для исследований, в то же время обладает ценным свойством - он доступен для спелеологических исследований. Изучение гидрологического компонента подземного ландшафта спелеологическими методами в комбинации с набором классических гидрогеологических методов открывает путь к новым открытиям и неожиданным решениям.

Дублянский В.Н.,
научно-популярная книга