ГИДРО­ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ НА ОРОШАЕМЫХ ТЕРРИТОРИЯХ

Постановка задачи влагопереноса в связи с орошением и осушением

Исследования влагопереноса на мелиорируемых землях связаны с решением важнейших практических задач, возникающих в период освоения и эксплуатации земель. Первая задача возникает из-за необходимости регулирования параметров среды обитания расте­ний (влажности, температуры, солености и др.), непосредственно обусловленных ее водным режимом в связи с созданием оптималь­ной обстановки для получения высоких урожаев.

Вторая задача касается прогноза и оценок изменения природ­ной обстановки (в частности, подъема уровня), связанных с ме­лиоративными мероприятиями.

Изучение изменения природных условий при орошении дает ос­нование выделить два основных этапа, рассмотрение которых необ­ходимо для прогноза водного и солевого режима на различных стадиях освоения территории. Первый этап «переходного режима» соответствует начальным периодам орошения, когда подземные воды находятся еще на достаточно большой глубине.

Темп подъема уровня зависит от условий поступления влаги к свободной поверхности подземных вод, коэффициента насыще­ния и возможности оттока воды естественным путем к региональ­ным или местным дренам. В этот период в зоне аэрации форми­руется в основном нисходящий поток влаги. Интенсивность этого потока зависит главным образом от водного баланса верхнего кор - необитаемого слоя.

Второй этап эксплуатационного режима характеризуется подъемом уровня к поверхности земли и непосредственным водооб­меном между подземными водами и корнеобитаемым слоем. Режим влажности и уровня подземных вод зависит от условий поступле­ния и расходования влаги в корнеобитаемом слое и параметров оттока, осуществляемого в основном искусственными дренами и реже естественным путем.

Рассмотрим некоторые, на наш взгляд, целесообразные пути общей постановки задач прогноза водного режима на каждом этапе, касаясь в основном вопросов влагопереноса. С вводом оро­шения изменение режима во всей зоне аэрации и подъем уровня наблюдаются практически в первый же год. При установлении ква­зистационарного режима влагопереноса, начало которого совпа­дает с началом подъема уровня, питание подземных вод в среднем остается постоянным.

На первой стадии решается одномерная задача влагопереноса, в результате чего определяется интенсивность инфильтрационного питания и коэффициент недостатка насыщения. А на второй ста­дии с учетом этих параметров дается прогноз подъема уровня пу­тем решения задачи региональной фильтрации. Такой подход по­зволяет значительно упростить решение всей задачи и, кроме того, подробно исследовать влияние различных факторов на питание подземных вод. Определение питания подземных вод следует про­водить для типовых схем строения зоны аэрации с учетом особен­ностей режима орошения и водности года. При этом особое вни­мание следует уделить возможности образования верховодки на слабопроницаемых слоях, имеющихся в зоне аэрации.

Наиболее сложным в этой задаче представляется задание гра­ничного условия на поверхности земли. Здесь целесообразно выде­лить корнеобитаемый слой, мощность которого зависит от харак­тера культуры и фазы ее роста. При поливах или выпадении осад­ков промачивание этого верхнего слоя происходит достаточно быстро вследствие его значительной проницаемости. Расходование влаги из него осуществляется за счет эвапотранспирации и влаго­переноса в более глубокие слои. В связи с использованием широ­козахватной оросительной техники площадь орошения за один по­лив оказывается достаточно большой. И поскольку размеры уча­стка, поливаемого за один раз, как правило, превышают мощность зоны аэрации, влагоперенос на каждом поливном участке можно рассматривать независимо от соседнего. Это позволяет в принципе оценивать питание подземных вод с учетом особенностей севообо­рота и графика работы поливальных машин. При этом, однако, возникают сложности, связанные с необходимостью прогноза климатических условий, определяющих как условия водопотребле - ния растений, так и условия увлажнения активного слоя атмосфер­ными осадками. Поскольку интересующий нас период подъема уровня составляет 5—20 лет, то такие прогнозы понадобились бы на весь этот срок. В связи с тем, что это, безусловно, нереально, климатические условия целесообразно задавать в соответствии с ранее наблюдаемыми для лет различной обеспеченности. Однако в этом случае возникают новые трудности, связанные с согласова­нием внутригодового распределения параметров климата, являю­щихся случайными величинами, со строго детерминированным гра­
фиком работы дождевальных машин. В связи с этим рассматри­ваемая задача в общем случае должна решаться в комплексе с задачей проектирования оптимального варианта оросительной системы.

Рассмотрим два подхода, которые на данном этапе дают выход из создавшегося положения. При заданном режиме орошения, определяемого, как это часто бывает, для года, обеспеченность ко­торого 75 %, участки поливаются вне зависимости от метеорологи­ческих условий в определенные сроки заданными нормами. Учет метеоусловий можно осуществлять непосредственно, воспользовав­шись рядом ранее наблюдаемых параметров. Однако при неболь­ших сроках прогноза такой подход может дать ошибочные резуль­таты в связи с тем, что в ряду небольшой продолжительности мо­жет не оказаться лет с низкой или высокой обеспеченностью. Поэтому для прогноза подъема уровня целесообразно брать годы с обеспеченностью 50 % для среднемесячных значений параметров метеоусловий при долгосрочных прогнозах на срок более 5 лет (глубина до воды более 7 м) и годы с 25%-ной обеспеченностью для относительно коротких прогнозов на срок менее 5 лет (глубина залегания уровня менее 7 м).

В качестве исходных данных должны рассматриваться: темпе­ратура воздуха Т, °С; дефицит влажности воздуха е, Па; осадки О, мм; испарение И; характеристики, определяющие мощность m кор - необитаемого слоя, и водопотребление растений Е. Последнее мо­жет рассчитываться по формуле (2.63) или приниматься по данным агробиологических станций в зависимости от проектного урожая. Оросительная норма может приниматься отдельно для каждой культуры или средней. В последнем случае усредняется и водопо­требление растений. Баланс активного слоя определяется из сле­дующего уравнения, связывающего процессы водообмена между зоной аэрации ниже активного слоя и атмосферой

(2.119)

Где / — поступление влаги в активный слой или ее расход через внешнюю поверхность; v — расход через нижнюю границу актив­ного слоя, который определяется автоматически при решении за­дачи влагопереноса в зависимости от градиента высоты всасыва­ния на нижней границе слоя. Ниже приводится пример алгоритма расчета баланса активного слоя для условий мягкого климата, где промерзание почвы незначительно и не оказывает существенного влияния на влагоперенос.

В невегетационный период интенсивность потока I определяется как разность между осадками и испарением в том случае, если температура воздуха положительна или в течение месяца имеются оттепели. При отрицательных температурах 1 — 0. Если за перио­дом с отрицательными температурами наступает потепление, ин­тенсивность расхода можно принимать равной интенсивности стаивания, которая определяется по формуле

/«рг,
где р — коэффициент стаивания, значения которого обычно ме­няются от 2 до 5 мм/°С в зависимости от района и характера снеж­ного покрова; Г —сумма суточных положительных температур.

В вегетационный период интенсивность I принимается как раз­ность между осадками и водопотреблением растения. Когда насту­пает срок полива, влажность в активном слое скачком изменяется на величину Д8, определяемую оросительной нормой vn

Д0 = . (2.121)

Т

Если до полива влажность 0,- была большой, то возможно форми­рование поверхностного стока при условии

В + ДЄ>Єда. (2.122)

Соответственно слой поверхностного стока С определяется из ба­ланса влаги в активном слое

С = (9; +А9-Єот)т. (2.123)

Поскольку слой воды на поверхности земли остается в микропони­жениях, то с некоторыми допущениями можно считать, что влаж­ность активного слоя в течение периода существования слоя будет соответствовать 6т. Поскольку этот период непродолжителен и мо­жет быть меньше, чем расчетный шаг времени At, проще всего в этот период водоемкость активного слоя формально считать большей полной водоемкоеш на величину С. Следует заметить, что водопотребление растений будет соответствовать расчетному до тех пор, пока влажность в активном слое снизится до критиче­ского значения, при котором транспирация также резко снижается. При достижении этого значения изменение величины Е происходит в соответствии с законом (2.64). Однако в целях упрощения рас­чета в этот период можно принимать Е = 0. Блок-схема этого ал­горитма приведена на рис. 31.

Второй подход заключается в рассмотрении условий, когда влажность в активном слое регулируется с помощью поливов. Рас­чет водопоступления / проводится аналогичным образом. При уменьшении влажности до нижнего предела увлажнения она ав­томатически увеличивается до значения, соответствующего верх­нему пределу увлажнения. При решении задачи в такой поста­новке одновременно определяется число поливов для лет, имеющих различную обеспеченность водности. В такой постановке была ре­шена задача по прогнозу питания в Явкинской системе орошения на юге Украины. Зона аэрации имеет мощность 10 м и сложена тяжелыми и средними суглинками. Активный слой принимался не­изменным по мощности, равной 0,5 м.

Гидрофизические характеристики активного слоя следующие:

K — 0,4б3-5 м/сут; 0 — ехр — 0,3ij); f)m = 0,45; б0 = 0,17. Зона аэрации до уровня подземных вод принималась однородной и имела сле-

Дующие характеристики: k — 0,0464 м/сут; 8 = ехр — 0,Зі}); 0m = = 0,45; 8о = 0,17. Эти параметры были определены по результатам полевых работ. В соответствии с данными почвенных исследова­ний верхний и нижний пределы увлажнения принимались в зависи­мости от сезона года (табл. 25). Для определения дефицита влаж­ности воздуха использовалась связь между этой величиной и температурой воздуха, которая оказалась линейной. По данным не-

Скольких метеостанций, на юге Украины эта зависимость опреде­ляется соотношением

Е [10^ 17а] = 0,57і [°С]. (2.124)

В таблице приведены исходные данные, характерные для года, обеспеченность которого 50 %. Биологический коэффициент Кр и пределы увлажнения принимались характерными для кукурузы по Р. А. Баеру.

Расчет влагопереноса проводился для 3-х лет на ЭЦВМ БЭСМ-6. Каждый год климатические условия года 50%-ной обес­печенности повторялись. Результаты расчетов даны на рис. 32. Их анализ показывает, что при принятых условиях нормальный режим водообеспеченности растений возможен при 8—-9-ти поливах нор­мой около 500 м3/га. Таким образом, годовая норма сооставляет 3300—3800 м3/га. В первый год орошения 98 % влаги расходуется на увеличение влагозапаса зоны аэрации. Поступление влаги к уровню подземных вод начинается только на второй год. Приток влаги к свободной поверхности меняется в течение года, достигая максимума в вегетационный период. Через 2 года режим влагопе­реноса становится квазистационарным и среднегодовое питание подземных вод в дальнейшем не меняется, составляя около 200 мм/год. Полученная величина находится в соответствии со зна­чением питания, определенным непосредственно для условий Ка­ховской системы И. Е. Жерновым и Б. А. Файбишенко. В соответ­ствии с этими данными при орошении установкой «Фрегат» за ве­гетационный период слой инфильтрации на свободную поверхность подземных вод составил здесь в 1973 г. 68 мм за 194 дня при слое осадков и поливов 602 мм, в 1974 г.— 57 мм за 168 дней при слое осадков и поливов 276 мм. Полученная расчетом величина пита­ния на Явкинской оросительной системе за вегетационный период 180 суток равна 80 мм при суммарном водопоступлении 680 мм.

Годовое питание 200 мм составляет 22 % от водопоступления в 900 мм, характерного для среднего по водности года. Ориентиро­вочные значения питания подземных вод в этот период можно

1 — влагозапасы в зоне аэрации Va, мм; 2 — объем питания подземных вод V, мм; 3 — ин­тенсивность притока к уровню подземных вод v, мм/мес

Получить, предполагая, что отток v в формуле (2.119) определяется только гравитационным влагопереносом. В этом случае

£> = *„§", (2.125)

Где kH, 0Н, п — параметры пород, залегающих непосредственно под активным слоем. Будем далее считать, что влажность нижележа­щего слоя определяется в зависимости от высоты всасывания на границе слоя. Тогда имеем следующее соотношение между влаж­ностью верхнего и нижнего слоев:

0н=(0в)Якн. (2.126)

Это соотношение дает возможность определить отток вниз в зави­симости от влажности верхнего слоя

V - *нёЛ, о = л. (2.127)

" кн

Подставляя формулу (2.127) в уравнение баланса верхнего слоя, получим

Цо (2.128)

Решение уравнения (2.128) можно проводить, представив его в ко­нечных разностях

Ё,- + 1 = 0,- + ^ (/- а); с = k„ (2.129)

Вычислить значение G1+i можно, используя итерации, число кото­рых зависит от выбранного шага At и интенсивности процесса. Расчеты по зависимости (2.129) проводились для рассмотренных выше условий орошения Явкинской системы. Расчетный шаг At менялся от 1 сут при значительном увлажнении до 5 сут при ма­лых влажностях. Число итераций при расчете на каждом шаге не превышало 3—4. Расчет проводился для двух лет подряд с тем, чтобы на результатах расчета не сказывались начальные условия. Интенсивность питания подземных вод принималась равной сред­негодовому значению скорости v и составила 190 мм/год. Число поливов, полученных в результате расчета по формуле (2.129), было равно 9, что соответствует расчетам на ЭЦВМ. В табл. 26 приведены сроки поливов ио данным расчета на ЭЦВМ и по фор­муле (2.129). Величина поступления влаги за вегетационный пе­риод (180 сут) составила 130 мм, а поливная норма — 400 м3/га (за исключением двух последних поливов с нормой 500 м3/га). Хо­рошее совпадение результатов свидетельствует о применимости упрощенной модели для расчетов питания подземных вод. При прогнозе подъема уровня время начала этого процесса можно определить по формуле (2.79), а скорость подъема уровня по фор­муле (2.80).

Рассмотрим теперь случай, когда зона аэрации имеет сквоз­ные макропоры и трещины. Учитывая неравномерность распреде­ления макропор и трещин по глубине, время влагообмена на раз­ных глубинах будет различным и определяться функцией т(г). Когда по этим порам и трещинам просачивается вода, в уравнении влагопереноса целесообразно задать сток е.

Интенсивность поступления воды в макропоры и трещины с по­верхности земли зависит от общего поступления влаги I и ско­рости впитывания аВп, определяемой из уравнения

По существу заполнение макропор и трещин водой возможно тогда, когда интенсивность дождя превышает интенсивность впитывания агрегатами и блоками породы. В этом случае = / — vm. Для

Оценки возможности проявления этого процесса при тех или иных условиях можно пользоваться формулой (2.49).

При расчетах в конечных разностях приращение влагозапаса AV в блоке высотой Az за время At можно определять по фор­муле

АV =EhzM = (Vm-V'-1) ,

Где V1'-1 — влагозапас на предыдущий момент времени.

Этот расчет проводится только для периода полива или выпа­дения атмосферных осадков. В соответствии с этим необходимо в принципе учитывать каждый дождь и каждый полив, поскольку интенсивность промачивания по макропорам зависит от интенсив­ности дождя. Это определяет очевидные сложности в прогнозе та­кого рода, усугубляемые, кроме того, жесткими ограничениями шага At (At<x). Для расчетов следует, по-видимому, привлекать данные, связывающие интенсивность дождя и его продолжитель­ность.

Упрощение схемы, допускающее аналитические расчеты, но не избавляющие от вышеуказанных сложностей, состоит в принятии блоковой структуры только для верхнего «активного» слоя. В пе­риод интенсивных дождей или полива расчетный шаг по времени следует выбирать таким образом, чтобы удовлетворялось условие: At<x. Далее оценивается потенциально возможное увеличение за­паса влаги AVm в верхнем слое при условии полного заполнения пор по формуле (2.130). Если /At>AVm, то приращение влаго­запаса AV = AVm - Если / At < AVm, то AV — I At. Количество влаги qH, идущей транзитом в более глубокие слои, определяется из ба­лансового соотношения qH = IAt— AV. В последующие периоды, когда осадки малы или отсутствуют, расчеты можно проводить по ранее рассмотренной схеме с использованием зависимости (2.129).

Интенсивность питания подземных вод будет определяться среднегодовым значением скорости фильтрации ниже зоны актив­ного водообмена.

На втором этапе, когда уровни подземных вод находятся близко от поверхности земли и регулируются дренажем, интенсивность притока к уровню подземных вод функционально связана с динами­кой и процессами влагопереноса в зоне аэрации. Здесь наиболее общий подход состоит в одновременном рассмотрении зоны аэра­ции и зоны насыщения всего междренного расстояния.

При таком подходе могут быть предложены следующие прин­ципы схематизации. В том случае, когда мощность дренируемого водоносного горизонта соизмерима с мощностью капиллярной зоны, т. е. т<ЗНк, необходимо рассматривать горизонтальные потоки и в зоне неполного насыщения. При этом следует решать уравне­ние, описывающее потоки влаги одновременно в зоне насыщения и в зоне аэрации

Д /. дН\ , д Л дН\ , дН

Где в зоне неполного насыщения k п с функционально связаны с влажностью или высотой всасывания. В зоне насыщения можно считать с — 0, є = 0, & = Случаи, когда необходимо прибегать к решению уравнения (2.131), довольно редки. Как правило, в ре­альных условиях проводимость водоносных горизонтов значительно превышает проводимость зоны аэрации. В этой ситуации для зоны насыщения часто можно рассматривать схему с постоянной водо - проводимостью kHmn, которая слабо зависит от колебания свобод­ной поверхности. Тогда для зоны насыщения имеем

<?2н дН I

^-Ш+Ь-ЭГ^-Ь (2.132)

Где — коэффициент фильтрации водоносного горизонта; тн — его, дН

Мощность, я—^—расход влаги, определяется в зависимости от

Условий зоны аэрации, для которой решается уравнение (2.32) од­новременно с (2.132). Более простая схема моделирования притока к дренажу может быть рассмотрена в тех условиях, когда измене­ние напора между дренами незначительно. Обычно эта ситуация характерна для двухслойного строения дренируемой толщи, когда сопротивление дрен 1д превышает междренное расстояние L (см. гл. IV). В этом случае можно ограничиться решением уравнения одномерного переноса (2.32) с заданием на нижней границе (г = = ган) условия III рода

. dH, Ня — Н - k —gp - I L. (2.133)

Где Яд—напор в дрене. В верхней части зоны аэрации граничные условия определяются характером поступления или расхода влаги в соответствии с рекомендациями, рассмотренными выше.