ГИДРО­ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ НА ОРОШАЕМЫХ ТЕРРИТОРИЯХ

Определение расходов потока по данным наблюдений за температурным режимом

В последнее время большое внимание уделяется поиску прямых методов определения интенсивности фильтрационных потоков и, в частности, так называемых индикаторных методов или методов «трассеров». В качестве индикаторов рассматриваются различные несорбирующиеся компоненты, вносимые тем или иным способом в фильтрационный поток. Существенным ограничением при таких исследованиях являются длительное время наблюдений при малых скоростях фильтрации, сложность интерпретации данных наблюде­ний, связанная с идентификацией той или иной схемы миграций, и технические трудности по введению индикатора и его прослежи­ванию. Части этих недостатков лишены методы, основанные на изучении температурных полей. Хотя задача по обоснованию рас­четной схемы и в этом случае определяет основные трудности в по­лучении достоверных результатов, широкое использование темпе­ратурных методов в комплексе с другими исследованиями позво­ляет достигнуть желаемых результатов. Ниже приводятся некоторые наиболее разработанные методы и дается обоснование целесообразной области их применения.

При инфильтрации конвективная составляющая теплотока при­водит к заметному изменению температурного режима в зоне аэра­ции и ниже. В зоне суточных и годовых температурных колебаний происходят изменения в величинах амплитуд и в смещении макси­мумов и минимумов температур по сравнению с естественным ре­жимом. Происходят также изменения температур ниже темпера­турного «нейтрального» слоя в зависимости от величины и направ­ления фильтрации. Эти эффекты могут быть положены в основу расчетов величины питания грунтовых вод по данным как устано­вившегося, так и неустановившегося температурных режимов.

Основными параметрами, определяющими температурный ре­жим при инфильтрации, являются: v — скорость фильтрации; св — объемная теплоемкость воды; сп — объемная теплоемкость породы и воды; X — коэффициент теплопроводности.

Следует отметить, что при фильтрации коэффициент теплопро­водности следует заменить на коэффициент тепловой дисперсии, который в общем случае зависит как от скорости фильтрации, так и от схемы теплопереноса. Однако как показывают эксперимен­тальные данные коэффициент тепловой дисперсии соответствует коэффициенту теплопроводности при скоростях фильтрации до 0,5 м/сут. Поэтому в реальных условиях, где мы встречаем значи­тельно меньшие значения скорости фильтрации, тепловой диспер­сией можно в большинстве случаев пренебрегать. Некоторые дан­ные по теплофизическим свойствам грунтов, которые можно ис­пользовать в расчетах, приводятся в табл. 46 в соответствии с данными работы [8].

ТАБЛИЦА 46

Теплофизические свойства почв

Тип почвы

Пористость

Объемная влажность

Теплопроводность к. 10» Вт/м-°С

Объемная теплоемкость, Дж/см3' °С

Песок

0,4 0,4 0,4

0,0 0,2 0,4

293,3 1759,8 2178,8

1,26 2,10 2,94

Глина

0,4 0,4 0,4

0,0 0,2 0,4

249,6 1173,2 1592,2

1,26 2,10 2,94

Вода

62,85

Иногда удобнее использовать обобщенные характеристики: ко­эффициент температуропроводности а = — и эффективную по-

Св

Ристость th = аг/св.

Эти величины меняются в незначительных пределах. Так, для большинства пород при различном насыщении их водой а меняется от 0,05 до 0,15, в среднем составляя около 0,1 м2/сут, а іц от 0,3 до 0,7.

Периодические изменения температуры на дневной поверхно­сти вызывают аналогичные изменения на различных глубинах. Выделяют суточные и сезонные колебания температуры. В наибо­лее упрощенной форме эти колебания можно описать функцией, близкой к синусу.

Решение уравнения теплопроводности с заданием на поверхно­сти земли периодических колебаний температуры в виде Го =

(

Oirf \

——j (где Г0—амплитуда температурных колебаний

На поверхности, °С, т — период колебаний) было получено Стол - маном (Stollman, 1965 г.)

Т—&Тф~аг sin (2я - і-------------- (6.57)

Где Т — температура грунта в любой точке на глубине; а —

_L - L

= [(K2 + F4/4)2+P/2]-F; p = [(K2+V4/4)2 +F/2]; К = ясп/Ят; V = vcB/2k.

Значение скорости инфильтрации v находится из выражения

(6.58)

При этом величину а можно определить, используя данные об уменьшении амплитуды колебаний температуры AT на различных глубинах

—4(6-69)

Величина р определяется по данным о смещении фаз колебаний г хz

При отсутствии фильтрации (и = 0) значения констант а и Р бу­дут иными

(6.60)

Анализ суточных температурных колебаний дает возможность определить интенсивность потока у>2-10-2 м/сут, а использование

213

Определение расходов потока по данным наблюдений за температурным режимом

Определение расходов потока по данным наблюдений за температурным режимом

Рис. 80. График колебания тем­пературы под распределителем: на глубине 0,1 (/) и 0,2 м (2)

Рис.81. Графики функции f(vz)

Годовых колебаний v > 1 • 10~3 м/сут. Как пример применения этого метода можно привести расчеты фильтрационных потерь из рас­пределителя на опытном орошаемом участке совхоза Дальверзин-1 в Средней Азии. Температурные датчики были установлены на глу­бине 0,1 и 0,2 м от дна распределителя. Замеры температуры по ним производились каждые три часа (рис. 80). Анализ колебаний

7'С

22

21

20

10 20

10 20

10 20

10 20

10 20 £,ч

28.ШП

29. ШП

Зо. ш

31.Ш

1.IX

Показал, что отношение амплитуды на этих глубинах составляет

Д FJ%

—- == 2,2, а сдвиг фаз іф = 3 ч. Отсюда находим величины а =

= 8,0 — и (5= 10,5 —, которые позволяют определить скорость м м

Фильтрации v = 0,15 м/сут. Полученные значения находятся в со­ответствии с данными гидрометрии. В некоторых случаях оценку инфильтрационного питания можно проводить, используя данные неустановившегося температурного режима [25].

В последнее время широкое распространение получает термо­метрический метод определения скорости фильтрации при перете­кании из водоносных горизонтов через слабопроницаемые разде­ляющие слои. При этом объектом исследования является естест­венное температурное поле, на которое оказывает воздействие фильтрация. В случае восходящей фильтрации происходит изгиб температурной кривой в сторону больших температур, а в случае нисходящей — в сторону более низких температур (рис. 81).

В основу метода определения интенсивности фильтрации поло­жено решение уравнения стационарного теплопереноса (при

~ = 0 j, при задании на фиксируемых границах 2 = 0 и z = l

Температур То и Ті. Это решение имеет вид

= Т — То ({- г \ г\ 1 - ^ .....

Совершенно очевидно, что использование такого решения при­менимо лишь для анализа естественных температурных полей, сформированных в течение длительного «геологического» времени. В связи с этим только в редких случаях данный метод может быть использован и для изучения фильтрации на территориях, где усло­вия фильтрации изменились совсем недавно под влиянием ороше­ния. Вместе с тем этот метод представляет интерес для определе­ния разгрузки потока, обсуловленной испарением в естественных условиях. Общее решение, рассматривающее изменение темпера­турного поля под влиянием фильтрации, полученное в работах Ф. Н. Бочевера и В. Б. Чулаевского, позволяет оценить период вре­мени, начиная с которого температурный режим становится квази­стационарным Для реальных условий, например, на

Массивах орошения этот период наступает только через 10—30 лет.

При интерпретации данных термометрии следует иметь в виду, что искажение температурной кривой может быть вызвано не только фильтрацией, но и неоднородностью разреза по теплофизи- ческим свойствам пород. Так, возможно закономерное увеличение
или уменьшение теплопроводности с глубиной за счет появления в разрезе пород более легкого типа или более тяжелого механи­ческого состава.

Определение расходов потока по данным наблюдений за температурным режимом

В связи с этим интерпретация каждой термограммы требует индивидуального подхода и особое внимание должно быть обра­щено на определение теплофизических свойств пород. В случае упорядоченного чередования слоев с различными коэффициентами теплопроводности может быть использован прием построения не­

Правленной термограммы в координатах

Где пи — мощность отдельного слоя с теплопроводностью л,; Тп — температура в подошве слоя; Тк — температура в кровле слоя. За­тем исправленная термограмма служит для определения скорости фильтрации описанным выше способом.

Помимо неоднородности в вертикальном разрезе, на характер температурного поля заметное влияние может оказывать и неодно­родность в плане. Эта ситуация обусловливается как неоднород­ностью слабопроницаемого слоя по проницаемости, так и наличием областей с локальным питанием или разгрузкой подземных вод. Для оценки влияния такой неоднородности целесообразно как крайний случай рассмотреть схему теплопереноса в среде, в кото­рой чередуются проницаемые и непроницаемые блоки, имеющие горизонтальную протяженность L.

При фильтрации с глубины I для достаточно большого диапа­зона скоростей фильтрации заметное влияние блоко­

Вого строения проявляется лишь при />10L [27]. Это значит, что при небольших размерах блоков (L < 0,1/, в реальных условиях это соответствует размеру блока порядка 10—30 м) распределение температур в них определяется средней скоростью фильтрации. Таким образом, интерпретация термограмм в этом случае позво­ляет оценить среднюю скорость фильтрации t»ep (расход, отнесен­ный к общей площади блоков). При больших размерах блоков L>1 влияние блоков друг на друга оказывается незначительным и их можно рассматривать в отдельности как две самостоятельные структуры.

В качестве примера приложения метода определения интенсив­ности фильтрации можно привести результаты определения интен­сивности разгрузки потока подземных вод за счет испарения на территории Джизакского массива в Голодной степи. Эта террито­рия является типичной для предгорий. В ее верхней (южной) ча­сти преобладают водоносные горизонты большой мощности, выкли­нивающиеся к периферии конусов выноса. Здесь водоносные гори­зонты перекрываются мощной толщей слабопроницаемых пород супесей и суглинков, через которые осуществляется разгрузка под­земных вод, компенсирующаяся испарением со свободной поверх­ности. На некоторой части территории разгрузка, за счет испарения происходит в пределах широких плоских днищ логов. По­скольку размеры локальных областей разгрузки заметно превы-

Определение расходов потока по данным наблюдений за температурным режимом

Рис. 82. Определение потоков влаги методом термометрии.

А —схема интерпретации термограмм; б — график функции v (г); 1—4 — створ 3: скв. 5 (/), 4 (2), 3 (3), 2 (4); 5-7 — створы: скв. 2 (5), 3 (6), 5 (7)

Шают мощность слабопроницаемого слоя, ее оценка методом тер­мометрии может проводиться независимо от окружающих масси­вов, где вертикальная фильтрация отсутствует.

Измерение температур проводилось в режимных скважинах электротермометром и термисторами. В связи с тем, что поинтер - вального определения теплофизических свойств пород в скважинах не проводилось, для расчета скорости фильтрации выбирались лишь те скважины, где разрез можно считать однородным.

При расчетах скорости фильтрации использовался способ эта­лонных кривых, построенных в координатах f (v, zjl) от zjl. Дан­ные термометрии наносились на график с координатами Т-------------------------------------------------------------------------- j-

Z

И - у, построенный в масштабе эталонной кривой (рис. 82, а).

В зависимости от того, с какой из кривых совпадают опытные точки, определялись значения v и скорости фильтрации v.

Для территории Джизакского массива величина разгрузки на­ходится в пределах k — 8-10~54-10-3 м/сут. При известной разнице напоров, определяющих фильтрацию, находился коэффициент фильтрации разделяющего слоя. В рассматриваемом случае полу­ченные значения коэффициента фильтрации лежат в пределах k = — 0,01—0,085 м/сут, что хорошо согласуется с данными опытно - фильтрационных работ.

Поскольку разгрузка через слабопроницаемые разделяющие слои в грунтовый поток не вызывает приращения его расхода, а идет полностью на испарение, оказалось возможным оценить за­висимость испарения от глубины залегания свободной поверхности (рис. 82, б). Полученная кривая близка к зависимости, полученной по данным, режимных наблюдений и исследованиям в лизиметрах.

Выше были рассмотрены естественные температурные поля, од­нако в некоторых случаях оказывается целесообразным использо­вать искусственные источники тепла, позволяющие не учитывать характер естественного температурного режима. В работах [42, 43] предложены методы, основой которых является использование осо­бенностей температурного поля вокруг точечного или линейного источника тепла, помещенного в фильтрационный поток. Тепловой зонд представляет собой электрический шаровой или цилиндриче­ский нагреватель. Причем последний устанавливается перпенди­кулярно к линиям тока фильтрационного потока. Выше и ниже по потоку на одинаковых расстояниях Дz находятся датчики темпера­туры. Ими могут служить термисторы или термопары. При нали­чии фильтрации разница в температурах ДТ выше и ниже по по­току для шарового зонда определяется соотношением

4л/. Д-г

А для линеиного зонда

Где Q — тепловая интенсивность шарового источника; q — погон­ный расход тепла цилиндрического источника. В первом случае скорость фильтрации можно определить из соотношения -_2а ы( Q

Аг

В случае цилиндрического источника скорость фильтрации нахо­дится подбором или с помощью таблицы функции F (v)- AT, где

ПкАТ _ vAz. „

АТ =--------- , с — ——(табл.47).

Q 2 а

Как видно из таблицы, функция F(v) при v = 0,8 имеет мак­симум. В связи с этим при постановке опыта должно удовлетво­ряться условие о <0,8.

А Т-

Как пример применения этого метода можно привести резуль­таты определения потерь воды из Каршинского канала. В дне ка-

ТАБЛИЦА 47 Функция F(o)

V

F(v)

V

Г (і)

0

0

0,4

0,455

0,01

0,047

0,6

0,492

0,05

0,156

0,8

0,498

0,1

0,242

1,0

0,491

0,2

0,350

1,2

0,456

Нала до пуска воды были открыты шурфы, в стенки которых на глубине 30—35 см от дна внедрялись точечные тепловые источ­ники диаметром 40 мм и спаи дифференциальных термопар, распо­ложенные на расстоянии 2—4 см от источника. Выводы от источ­ников и термопар тщательно изолировались и выводились на берег канала. Шурф после этого заливался глинистым раствором. Раз­ность температур на спаях термопар замерялась гальванометром типа М-95, шкала которого была проградуирована в градусах Цельсия. Нагревание источника проводилось от батарей. Было установлено 4 таких датчика на участках, где ложе канала прохо­дило в различных породах. Перед установкой датчиков непосред­ственно в месте их размещения опытным путем были определены коэффициенты теплопроводности для полностью насыщенной по­роды. После пуска воды в канал были начаты измерения фильтра­ционных потерь по рассмотренному выше методу.

Измерения проводились в течение 5 мес при различной глубине воды в канале. Фильтрационные потери на всех четырех участках были примерно одинаковыми и менялись в пределах от 0,6 до 0,4 м/сут. Отмечалась некоторая зависимость потерь от слоя воды в канале. При слое 3 м интенсивность фильтрации в дно канала была 0,64, а при 2 м — 0,38 м/сут.

Следует отметить, что при общем расходе воды в канале до 100 м3/с применение других способов определения локальных по­терь на фильтрацию представляется серьезной проблемой.

Таким образом, применение методов термометрии в комплексе с другими исследованиями позволяет получить информацию о филь­трационных потоках, которую не всегда дают другие методы.

ГИДРО­ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ НА ОРОШАЕМЫХ ТЕРРИТОРИЯХ

Инфильтрационное питание

Характерными для орошаемых территорий являются условия задания распределенного инфильтрацнонного питания (особенно при поливах и промывках). Для непосредственной реализации заданного инфильтрацнон­ного (площадного) питания на электрических моделях требуется задать площадное распределение тока …

ПРОЦЕССЫ СОЛЕПЕРЕНОСА ПРИ ПРОМЫВКАХ ■ ЗАСОЛЕННЫХ ЗЕМЕЛЬ

Принципы обоснования условия промывок засоленных земель строятся на двух существенно различных позициях: эмпирической, основанной на обобщении большого фактического материала на­турных исследований, и теоретической, основанной на использова­нии физико-химических построений теории солепереноса …

Методы расчета влагопереноса в зоне аэрации

Расчеты влагопереноса в зоне аэрации базируются на решении уравнения баланса влаги в зоне аэрации. Сложность решения уравнения влагопереноса определяется его нелинейностью. Имею­щиеся предложения по аналитическому решению уравнения (2.32) касаются простых …

Как с нами связаться:

Украина:
г.Александрия
тел./факс +38 05235  77193 Бухгалтерия
+38 050 512 11 94 — гл. инженер-менеджер (продажи всего оборудования)

+38 050 457 13 30 — Рашид - продажи новинок
e-mail: msd@inbox.ru
msd@msd.com.ua
Схема проезда к производственному офису:
Схема проезда к МСД

Оперативная связь

Укажите свой телефон или адрес эл. почты — наш менеджер перезвонит Вам в удобное для Вас время.