ГИДРО­ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ НА ОРОШАЕМЫХ ТЕРРИТОРИЯХ

Схемы промачивания зоны аэрации

Процесс промачивания зоны аэрации находится в зависимости от гидрофизических характеристик пород и условий поступления воды на дневную поверхность. Теория этого процесса достаточно подробно разработана Дж. Филипом [12] путем анализа решений уравнения (2.32). Им было доказано, что для большинства случаев инфильтрации влаги в сухие породы при затопленной поверхности скорость инфильтрации определяется простым соотношением

+ (2.39)

Где 5 — сорбционность; А—-некоторый параметр, который при t-> оо стремится к коэффициенту фильтрации k0. Соответственно объем впитывания V определяется по формуле

F=SVH-A/. (2.40)

Вначале, когда преобладают процессы впитывания за счет дейст­вия капиллярных и сорбционных сил, вторым членом в формуле (2.40) можно пренебречь. Для этого периода характерно соотно­шение

Vt=±V.

Это соотношение справедливо для всего периода времени при впи­тывании в горизонтальном направлении. Выражение для сорбцион- ности S и консганты А определяется зависимостями k (9) и Из решения уравнения (2.34) при п = 1 следует

-V4

Анализ решения Дж. Филипа [12] приводит к очень близкому по форме выражению

S = (2.41)

Как видно, несмотря на некоторые различия в числовых коэф­фициентах, физический смысл константы S во всех случаях оди­наков.

Для анализа процесса инфильтрации используется также гид­равлическая модель [12]. В соответствии с этой моделью движение влаги происходит при полном насыщении под действием капилляр­ных и гравитационных сил. Интенсивность промачивания опреде­ляется следующей формулой:

О=г*0 Щ+^tL, (2.42)

Где I — глубина промачивания; Н° — высота слоя воды над поверх­ностью земли. Скорость продвижения фронта и определяется в за­висимости от дефицита влажности [л, = 6ТО—0е (0е— начальная влажность)

V dt.„. ы==1Г^-ЗГ (2-43)

Совместное решение уравнений (2.42) и (2.43) относительно вре­мени продвижения фронта на глубину имеет вид [12]

(2.44)

Ko

(//к-яо)іп(І+77-^ж);

Дж. Филипом [12] теоретически обосновано применение этого урав­нения для сухих пород во всем диапазоне времени і. Для началь­ных стадий промачивания, когда /сЯк, скорость фильтрации и глубина I (при Н° = 0) определяются соотношениями:

Г = 2д/ЖЕ; (2.45)

Для больших периодов времени, когда /^>ЯК, становятся справед­ливыми следующие зависимости:

; v = ko. (2.43)

Как видно из формул, начальные и конечные приближения урав­нения (2.42) практически совпадают с решениями, полученными

Схемы промачивания зоны аэрации

400

300

200

100

Рис. 18. Особенности инфильтрации в сухую породу.

А —влияние начальной влажности на сорбционность: / — по расчетам по формуле (2.41); 2 — по данным работы [12]; б — время образования слоя воды на поверхности при дождева­нии с различной интенсивностью: / — по данным моделирования на ЭЦВМ; 2 — ПО расчетам по формуле (2.49)

Из уравнений влагопереноса (2.39) и (2.40). Для учета начальной

Влажности следует считать Як = #'к (1 — 0). Допустимость этого

Приема подтверждается сопоставлением численного расчета S, про­веденного в работе [12], с расчетом по формуле (2.41) (рис. 18, а).

Схемы промачивания зоны аэрации

S, 10 см/с1/* a

0 0,2 0,4 0,6 0,8 Л

При дождевании поверхности земли с постоянной интенсив­ностью Ickо вся влага просачивается вниз. Причем если исходное увлажнение зоны аэрации соответствовало максимальной молеку­лярной влажности 0е, то скорость продвижения границы увлажне­ния можно определить в соответствии с формулой Н. Н. Бинде - мана

1 (2.47)

Где п—-показатель степени в зависимости &(0); р —-9т — 0е. При дождевании сухих пород (0е<0о) необходимо учитывать долю влаги, расходуемую на формирование связанной воды. В этом случае

7 - -во — ®е - (2.48)

А6-

^yijk о+де

При />&о в первое время слой воды на поверхности земли образо­вываться не будет, поскольку градиент высоты всасывания больше единицы. Затопление поверхности земли произойдет тогда, когда интенсивность дождя превысит скорость впитывания. Время на­
ступления режима затопления ta можно оценить, полагая, что ско­рость впитывания определяется соотношением (2.39). Тогда

ТТЩ2 • (2,49)

Рассмотренные выше закономерности подтверждаются более стро­гим анализом этого процесса, проведенным в работах Дж. Ру­бина [12].

Зависимости (2.27) и (2.49), полученные на основе простых ба­лансовых построений, достаточно хорошо описывают процесс про- мачивания при дождевании. Это, в частности, следует из сопостав­ления скорости промачивания, вычисленной по 'формуле (2.47), и данных численного анализа, проведенного Дж. Рубиным на ЭЦВМ [12]. Им рассматривалась инфильтрация при различной интенсивности дождевания рехтовского песка. Для песка харак­терны следующие показатели: 8т = 0,4, 80 = 0,005, k = 0,0133 см/с, /г = 4, Як = 15 см. По данным Дж. Рубина, при интенсивности дождя / = 1,3- Ю-3 см/с и = 5,5-10~3 см/с, при / = 3,5-10~4 см/с м = 2,5-10~3 см/с. Расчеты по формуле (2.47) дают скорости про­мачивания соответственно 5,8-Ю-3 и 2,3-10~3 см/с. В том случае, когда интенсивность дождя превышает значение коэффициента фильтрации, происходит затопление поверхности. Сопоставление времени начала затопления, полученного расчетом по формуле (2.49), и данных численного моделирования на ЭЦВМ показано на рис. 18, б. Как видно, расчеты по формуле дают вполне удовлет­ворительный результат.

Возможность образования поверхностного стока в естественных условиях можно примерно оценить, воспользовавшись зависимо­стью, приведенной в работе [7]

(2.50)

0 + 0"

Где N — число лет, в течение которых ливень, имеющий интенсив­ность I, мм/мин, продолжительностью t, мин, наблюдается в сред­нем один раз. Параметры А и В вычислены для большого числа пунктов на территории СССР. Некоторые из них приведены в табл. 18.

ТАБЛИЦА 18

Таблица значений А и В для различных населенных пунктов

Пункт

А

В

Пункт

А

В

Пункт

А

В

Архангельск

Вологда

Москва

2,59 3,28 4,32

2,84 2,90 3,28

Курск

Харьков

Одесса

4,11

4,37 4,07

4,44 3,76 4,38

Новосибирск Благове­щенск

Владивосток

3,19 4,22

4,68

2,42 3,58

4,93

При орошении возможность затопления поверхности будет определяться интенсивностью до­ждевания и его длительностью. Совершенно иначе происходит инфильтрация в агрегированных породах и породах, имеющих макропоры и трещины.

А — в разрезе; б

■ в плане

Dl

Для выяснения закономерно­стей влагопереноса в среде с макропорами рассмотрим ци­линдрический блок, по оси кото­рого проходит крупная пора (рис. 19). Учитывая пространст­венную симметрию потока, огра­ничим блок непроницаемой ци­линдрической поверхностью. Роль вертикальной миграции влаги в блоке будем считать пре­небрежимо малой, поскольку его длина значительно больше его го­ризонтальных размеров. Ё связи с этим коэффициент влагопере­носа в вертикальном направлении примем равным нулю. На по­верхности блока задается постоянный расход Q. Уравнение ба­ланса воды в канале с учетом ее поступления на поверхности земли, впитыванием в блок и заполнением макропоры можно представить в следующем виде:

(2.51)

Где /—глубина промачивания макропоры; <в' и п' — площадь по­перечного сечения макропоры и ее пористость; q — единичный рас­ход влаги, впитывающейся в блок.

(2.52)

В соответствии с зависимостями (2.22) и (2.23) имеем

Пт - а%

' Є •

I:

(2.54)

Т

Совместное решение уравнений (2.51) и (2.52) позволяет получить глубину промачивания

(2.53)

И скорость продвижения фронта увлажнения

А

Схемы промачивания зоны аэрации

Макропора

ІІНИІИН

Макропора

Рис. 19. Схема промачивания почв с макропорами.

Непроницаемая граница

T

Где <в— соотношение агрегатной и межагрегатной пористостеи.

При больших периодах времени ■— «>3, скорость движения

Т

V

Фронта насыщения становится постоянной а глубина про-

Мачивания

L=u(t + x). (2.55)

При этом в зоне аэрации формируется постоянный профиль влаж­ности, смещающийся вниз параллельно самому себе. Влажность

По профилю при t ^ - -- определяется по формуле

VL

(2.56)

6=1 — ехр

('-я


Интересно отметить, что решение (2.56) удовлетворяет линеаризо­ванному уравнению влагопереноса (2.34) при п = 1

Г>*І!§ J!? — JL-

Dzi dz dt '

«--т^. (2.57)

Где kg — экспериментальное значение коэффициента фильтрации, численно равное скорости фильтрации v. Таким образом, в случае двухкомпонентной модели среды может быть использовано урав­нение (2.34), но при этом важно учитывать зависимость обобщен­ных параметров влагопереноса от скорости промачивания.

Выше была рассмотрена схема, приложимая к зоне аэрации, имеющей одинаковую структуру до достаточно большой глубины. Распределение макропор по вертикали обычно неравномерно: наи­большее их число встречается в верхнем «активном» слое почвы, мощность которого редко превышает 1 м. В этом слое наблю­дается основная масса корней, трещин уеыхания, ходов землероев. В общем случае мощность активного слоя зависит от характера землепользования, типа и фазы развития возделываемой культуры. При конечной мощности т слоя с макропорами, что, как правило, имеет место в действительности, динамика впитывания с поверх­ности при наличии небольшого слоя на ней определяется соотноше­нием

_ —

V—-mn - і-е т (2.58)

Где т — мощность «активного» слоя или глубина наибольшего раз­вития макропор и трещин; ko — коэффициент фильтрации нижнего слоя. Учитывая практические трудности в определении мощности

«активного» слоя, целесообразно ввести параметр, характеризую­щий его общую водоемкость или его предельно возможный влаго - запас Vm, который может быть определен экспериментальным пу­тем, Поскольку активный слой достаточно макропорист, можно предполагать, что заполнение макропор происходит практически мгновенно. Тогда водоемкость слоя можно определить следующим соотношением:

(2.59)

Интенсивность потока v, идущего транзитом в более глубокие слои зоны аэрации, вычисляется в зависимости от интенсивности по­ступления влаги на дневную поверхность

(2.60)

В том случае, когда v превышает возможности поглощения влаги породами глубоких слоев, формируется поверхностный сток. В практических расчетах приращение влагозапаса AV можно опре­делять в зависимости от влагозапаса на предыдущий момент вре­мени Vj-І по формуле

(2.61)

Соотношение (2.61) дает достаточно хорошие результаты, точ­ность которых не ниже 30 % при 1.

Т

Неучет макропор может привести к существенным ошибкам в определении норм поливов. В частности, интенсивность дождя и его продолжительность должны задаваться в определенной за­висимости от ряда параметров: нижнего и верхнего пределов ув­лажнения, которым соответствуют водоємкосте активного слоя FB и Fb, поливной нормы Vn—Vv — Vn и времени влагообмена т. Не­производительные потери связаны с транзитными потоками влаги в корнеобитаемом слое в период полива.

Возможность транзитных потоков влаги отмечалась целым ря­дом исследователей. С. П. Соколовский и Г. С. Солоков приводят данные о подъеме уровня в суглинках на глубине 4—5 м через 40—50 мин после полива. При опытах с монолитами этих же су­глинков высотой 70—80 см первые порции фильтрата появлялись в нижней части в первые же минуты опыта. После искусственной кольматации пор парафином интенсивность промачивания снижа­лась в 3—5 раз. Аналогичный эффект отмечается также В. Я. Ку­ликом. Анализ данных режимных наблюдений в совхозе «Даль - верзин» в Средней Азии показывает, что подъем уровня начинается сразу же после начала полива, а спад уровня — после прекраще­ния подачи воды на поле. Анализ баланса влаги показывает, что потери на фильтрацию в период полива составили слой 0,15 м, при этом на насыщение зоны аэрации израсходовано 0,12 м. Таким

ТАБЛИЦА 19 Потери воды при различной интенсивности дождя

W (мм) при / (мм/мин)

Vm, мм

Vn, мм

Т, мин

—— --------------------------------------------

—----------------------

-------------

— .....................................

- -

1,0

0,8

0,6

0,5

0,4

0,3

0,2

200

114

200

38

34

26

21

15

6

0

250

114

200

27

21

10

2

0

0

0

200

114

150

32

26

18

13

6

0

0

Образом, объем транзитного потока влаги равен 0,03 м, или 300 м[2]/га.

Для оценки этих потерь можно пользоваться зависимостью (2.59), считая, что изменение влагозапаса v в активном слое опре­деляется по формуле

V = (Vm-V„)( 1-е-'/т). (2.62)

Разница между поливной нормой Vn и изменением влагозапаса за время полива t и определит потери за счет транзитных потоков при условии Vn^V. Как пример можно рассмотреть возможно­сти таких потерь для южных черноземов. Время влагообмена т определено по кривым впитывания и составляет 150—200 мин. Влагозапас активного слоя, соответствующий нижнему пределу увлажнения, 114 мм (1140 м[3]/га), а для верхнего предела увлаж­нения—180 мм (1800 м[4]/га). Соответственно Vn — 60 мм (600 м3/га). В табл. 19 приводятся значения потерь в нижележа­щие слои w (мм) в зависимости от интенсивности дождевания / и принятых параметров.

Этот пример демонстрирует необходимость учета транзитных потоков в корнеобитаемом слое при обосновании норм и длитель­ности поливов. В общем случае изменение влагозапаса может следовать более сложной зависимости, чем (2.62). Определение транзитных токов при этом целесообразно оценивать по интеграль­ным кривым впитывания.

Транспирации растениями (эвапотранспирацию), принимают потен­циальную эвапотранспирацию или так называемое «климатически возможное испарение». Потенциально возможная эвапотранспира - ция Е0 различными исследователями определяется различным об­разом (в зависимости от удобства при решении географических, климатологических или агрофизических задач). В последнем слу­чае под этой величиной следует понимать максимально возможную эвапотранспирацию имеющейся растительностью в данных клима­тических условиях.

При достаточной зрелости растений транспирация составляет основную долю эвапотранспирации за счет хорошо развитого ли­ственного покрова, снижающего испарение. Поэтому во многих случаях в период вегетации растений эвапотранспирацию можно считать равной транспирации (табл. 20).

При продолжительности вегетационного периода 135 сут и при полном покрытии растениями площади расход воды на транспи - рацию составит от 270 до 600 мм или от 2 до 5 мм/сут. С учетом климата потребление влаги растениями можно опреде­лить по формуле Алпатьева [3]

Е=Кра, мм/сут, (2.63)

Где а —дефицит влажности воздуха в Па, Кр— коэффициент, опре­деляемый по биологическим кривым. Для некоторых растений ко­эффициент КР приведен в табл. 21 для условий юга Украины (по Р. А Баеру).

Величина потребления воды, представленная в табл. 20, соот­ветствует условиям полной обеспеченности растений влагой. При уменьшении влажности активного слоя увеличивается высота вса­сывания и уменьшается коэффициент влагопереноса. Вследствие этого отбор влаги корнями растений затрудняется. Анализ много­численных экспериментов, проведенный С. В. Нерпиным, В. Н. Ми-

ТАБЛИЦА 21 Коэффициент биологических кривых Кр

Месяцы

Растение

-------------------

--------------------

--------------

-------------

IV

V

VI

VII

VIII

IX

X

Озимая пшеница

0,53

0,52

0,43

0,26

_

Кукуруза

0,25

0,34

0,43

0,45

Сахарная свекла

0,28

0,33

0,4

0,47

0,46

Яровая пшеница

0,27

0,36

0,46

0,3

_

Томаты

0,25

0,36

0,53

0,4

0,35

Картофель

-

0,27

0,41

0,45

0,3

_

Люцерна

0,56

0,52

0,49

0,49

0,48

0,44

0,47

Чуриным и М. Г. Санояном, показал, что транспирация влаги расте­ниями, даже при снижении высоты всасывания, все же до некото­рого предела остается равной потенциальной транспирации. Только начиная с некоторого критического значения высоты всасывания pFfc наблюдается снижение транспирации до нуля при значении высоты всасывания pFo. Эти данные представлены на рис. 20. При pF^<pF<pF0 транспирация связана с pF линейным соотношением pF0 - pF pF0 — pF*

Поскольку pFa зависит от Eo, то уравнение (2.64) можно преобра­зовать, пользуясь данными рис. 20

Е=р (pFo — pF*.). (2.65)

При расчетах можно принимать р = 5,4 мм/сут, pFo = 4,4. Фор­мула (2.65) позволяет оценивать Е при pF>pF^.

(2.64)

E = Eg ■

Схемы промачивания зоны аэрации

Ji 1.0

0,75

0,50

0,25

О

I I

I | ! і

2,0 2.5 3,0 3,5 4,0 £

Рис. 20. Зависимость интенсивно­сти испарения 0 от pF.

ЕЄі =1,25; Ео,-3,54; Eos =5,5; Е„4=7,4; E„s =10 мм/сут

ТАБЛИЦА 22

Зависимость pFft от Ео и соответсі - вующие ему значения <ф3 и 93

РРЙ

Eq, мм/сут

Е3

2,55

10

3,55

0,41

3,1

7

12,5

0,045

3,28

5

19,2

0,008

3,85

3

71

0

В табл. 22 даны критические значения pF* в зависимости от по­тенциальной транспирации Ео - В этой же таблице приведены ха­
рактерные значения влажности в соответствии с зависимостью (2.7) при Як = 4 м, характерной для суглинков. При этом pF*. может быть рассчитано по формуле (2.65)

PF*=pFo-------

Из табл. 22 следует, что для наиболее часто встречающегося диапазона величин суточной потенциальной транспирации крити­ческой высоте всасывания соответствуют чрезвычайно низкие зна­чения влажности завядания.

Для практических расчетов расходование влаги при постоян­ных во времени метеоусловиях можно считать постоянным (Е = — Е0), пока влажность не достигнет значения 03, ниже которого испарением можно пренебречь, считая Е = 0.

(2.66)

ГИДРО­ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ НА ОРОШАЕМЫХ ТЕРРИТОРИЯХ

МОДЕЛИРОВАНИЕ ГЕОФИЛЬТРАЦИИ НА ОРОШАЕМЫХ ТЕРРИТОРИЯХ

Применение моделирования геофильтрации целесообразно на различных стадиях гидрогеологических исследований, причем для крупных объектов иногда создают постоянно действующие модели, используемые для поэтапной корректировки проектирования и экс­плуатации инженерных (мелиоративных) систем. Рассмотрим ряд …

НАЛИВЫ В ШУРФЫ

Наливы в шурфы являются сейчас наиболее распространенным способом оценки проницаемости пород зоны аэрации. Впервые схема такого опыта —с оборудованием шурфа двумя концентриче­скими кольцами — была предложена Н. С. Нестеровым [5, …

Как с нами связаться:

Украина:
г.Александрия
тел. +38 05235 7 41 13 Завод
тел./факс +38 05235  77193 Бухгалтерия
+38 067 561 22 71 — гл. менеджер (продажи всего оборудования)
+38 067 2650755 - продажа всего оборудования
+38 050 457 13 30 — Рашид - продажи всего оборудования
e-mail: msd@inbox.ru
msd@msd.com.ua
Скайп: msd-alexandriya

Схема проезда к производственному офису:
Схема проезда к МСД

Представительство МСД в Киеве: 044 228 67 86
Дистрибьютор в Турции
и странам Закавказья
линий по производству ПСВ,
термоблоков и легких бетонов
ооо "Компания Интер Кор" Тбилиси
+995 32 230 87 83
Теймураз Микадзе
+90 536 322 1424 Турция
info@intercor.co
+995(570) 10 87 83

Оперативная связь

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