ГИДРО­ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ НА ОРОШАЕМЫХ ТЕРРИТОРИЯХ

ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА ВЕЛИЧИНУ ИНФИЛЬТРАЦИОННОГО ПИТАНИЯ

Проблемы, связанные с прогнозом питания подземных вод на больших территориях, выяснением закономерностей их формирова­ния и постановкой исследований, в первую очередь должны ре­шаться на качественном уровне в зависимости от доминирующих факторов. Основой для решения этой задачи является специальное районирование, учитывающее целый ряд показателей, определяю­щих как особенности строения зоны аэрации и ее гидрофизических характеристик, так и условия поступления и расхода влаги.

1. Анализ влияния строения зоны аэрации на интенсивность пи­тания подземных вод можно провести, рассматривая результаты численного эксперимента. Основным материалом для этого экспе­римента послужили данные изысканий, проведенных на Явкинской оросительной системе на юге Украины. Типовые схемы строения зоны аэрации представлены на рис. 33, а, а основные сведения о породах, входящих в ее состав, приведены в табл. 27.

А — при глубоком залегании уровня; б — при близком залегании уровня; / — почвенный слой; 2 — песок; 3 — супесь легкая; 4 — супесь средняя; В — суглинок легкий; 6 — суглинок средний

Для всех систем рассматривался одинаковый режим увлажне­ния, характерный для среднего по водности года. Поливы в веге­тационный период, их нормы и характер водопотребления расте­ниями во всех случаях были одинаковы. Однако число поливов определялось в зависимости от рассмотренных выше условий ре­гулирования влажности в корнеобитаемом слое при одинаковых границах увлажнения. Сопоставление результатов численного экс­перимента, проведенного JI. Р. Шредером, показало, что на вели­чину питания подземных вод в первую очередь влияют параметры слоя, залегающего непосредственно под почвой, даже в том случае, если его мощность относительно мала. Это хорошо видно из табл. 28, обобщающей результаты моделирования.

Следует отметить также вообще слабое влияние, оказываемое величиной коэффициента фильтрации на величину инфильтрацион - ного питания. При изменении коэффициента фильтрации слоя, под­стилающего почвенный горизонт более чем в 10 раз, величина при­тока к уровню подземных вод меняется всего на 20—30 %. При высоких значениях коэффициента фильтрации его величина прак­тически не влияет на интенсивность нисходящих потоков. Этот вы­вод также следует и из рассмотрения решения балансового урав­нения (2.128) при <т= 1. Для одного полива коэффициент у, пред­ставляющий собой отношение объема питания (фильтрационных.

Зависимость коэффициента питания от параметров влагопереноса

Потерь) к поливной норме, меняется весьма мало при существен­ных изменениях коэффициента фильтрации нижнего слоя kB. Ре­зультаты решения уравнения (2,128) даны в табл. 29.

Из данных таблицы следует, в частности, что в большом диа­пазоне изменения соотношения Ilkн от 10~5 до Ю-1 коэффициент питания у уменьшается только в 2 раза. Особенно мало он ме­няется при /Дн<10-А оставаясь практически постоянным.

Отмеченные особенности, по-видимому, могут объяснить пора­зительное однообразие в темпах подъема уровня и на орошаемых массивах, которое в основном определяется только оросительной нормой и практически не зависит от строения зоны аэрации. Дей­ствительно, среднее значение испаряемости для большинства оро­шаемых массивов территории СССР меняется незначительно — от 4 до 8 мм/сут, а коэффициент фильтрации от 10~2 до 1 м/сут, что определяет диапазон изменения соотношения Igl/km в пределах от 1 до —1 и соответственно коэффициента питания от 0,1 до 0,5 (табл. 30).

Анализ режимных наблюдений подтверждает это положение. При глубоком залегании уровня средний подъем его в год соста­вляет 1 м на каждые 5000 м3/га оросительной нормы.

При расчетах питания коэффициент недостатка насыщения р принимался равным 0,15. Коэффициент питания, как видно, колеб­лется в небольших пределах — от 0,2 до 0,3.

2. При неглубоком залегании уровня существенное значение приобретают процессы миграции влаги от уровня к поверхности земли за счет испарения. При этом роль неоднородности строения зоны аэрации возрастает, а интенсивность восходящих потоков влаги оказывается в существенной зависимости от абсолютных значений коэффициентов влагопереноса. Для доказательства этого положения можно привести результаты моделирования влагопере­носа при близком залегании уровня.

Рассматривались однослойные и двухслойные схемы строения зоны аэрации, представленной песками и суглинками, при залега­нии уровня на глубине 2 м (см. рис. 33, б). Зависимость коэффи­циента влагопереноса от влажности принималась согласно (2.11), а высота всасывающего давления от влажности принималась экспо­ненциальной (2.8). Пески и суглинки взяты со следующими ха­рактеристиками: суглинки — 0m = 0,4, 0О — 0,2, k = 0,1 м/сут, Як = = 2; пески — 0ОТ = 0,35, 0о = О,1, &о = 5 м/сут, Як = 0,5. При рас­четах рассматривалось перераспределение влаги и питание после полива. Принималось, что во время полива насыщение зоны аэра­ции до значения 0ОТ происходит практически мгновенно на глубину, определяемую поливной нормой. Задавались следующие значения поливных норм Vn'- для суглинков — 0,06, для песков — 0,11 м. При этом увлажнение пород в обоих случаях происходило до глубины 0,5 м. Завышенные поливные нормы в данном случае задавались для того, чтобы с большей определенностью оценить влияние строения. По своим величинам объемы инфильтрации соответст­вуют предпосевным влагозарядковым поливам или весеннему пе­риоду, когда зона аэрации увлажняется за счет таяния снега. Рас­четы проводились до периода, когда режим влажности в зоне аэрации становился близким к установившемуся. На поверхность земли задавалось испарение (транспирация) согласно зависимости (2.65) при суммарном испарении и транспирации Е0 = 0,0055 м/сут, логарифм всасывающего давления при нулевом испарении pF0 со­ставлял 4,375. На всех рассматриваемых схемах фильтрационного строения грунта после проведения полива выделяются четыре ха­рактерных этапа передвижения воды в ненасыщенной зоне; I этап — до поступления воды из зоны аэрации на уровень ГВ; начинается после полива и длится менее суток; II этап — поступ­ление воды из зоны аэрации на уровень грунтовых вод, причем интенсивность поступления воды начинается в первые сутки; дли­тельность этого этапа для всех вариантов составляет примерно 6 сут; III этап — начало оттока с уровня грунтовых вод к поверх­ности испарения; начинается с момента прекращения питания ГВ и длится до установления постоянного расхода с уровня ГВ в зону

Аэрации; длительность этого этапа составляет примерно 10 сут; IV этап — постоянных расходов с уровня ГВ в зону аэрации; начи­нается с момента стабилизации расхода с уровня ГВ в зону аэра­ции и характерен установившимся распределением влажности в не­насыщенной зоне.

В табл. 31 представлены значения расходов и объемов воды в слое, характерные для каждого этапа.

Анализ результатов, представленных в таблице, позволяет сде­лать следующие выводы. В период, непосредственно следующий за поливом (этапы I и II), влажность верхнего слоя достаточно ве­лика, и испарение в основном определяется испаряемостью, при этом питание подземных вод определяется главным образом вели­чиной поливной нормы и мало зависит от строения зоны аэрации. Об этом свидетельствуют очень близкие значения относительной величины питания для всех схем. В период, когда испарение в ос­новном компенсируется оттоком от уровня грунтовых вод, харак­тер сложения зоны аэрации и проницаемость пород приобретают решающее значение. Особенно это видно в период, когда наступает стационарный режим влагопереноса. Так, для схем с суглинками в верхней части испарение в этот период составляет в среднем 2,2 мм/сут, а для схем с песками в верхней части—1,6 мм/сут. Причем для чисто песчаного разреза эта величина равна 1,4 мм/сут. Однако и в рассмотренном случае роль неоднородности зоны аэра­ции все же не столь велика. Действительно, при разнице в коэф­фициентах фильтрации в 50 раз интенсивность питания и испаре­ния различается не более чем в 2 раза. Эти результаты лишний раз подчеркивают преобладающую роль режима увлажнения и ис­парения в формировании питания подземных вод.

3. Большое влияние на процесс влагопереноса оказывают па­раметры, входящие в сомножитель, представляющий степенную функцию в зависимости (2.125). Это влажность и показатель сте­пени п. Численный эксперимент подтверждает это положение. Рас­сматривалась зона аэрации мощностью 9 м. Верхний, корнеобитае - мый слой имел мощность 0,5 м и коэффициент фильтрации 0,4 м/сут, а нижний — соответственно 8,5 м и 0,04 м/сут. Условия поступления и расхода влаги были аналогичны рассмотренным выше. Зависимость коэффициента влагопереноса от влажности принималась, согласно (2.125), при различных значениях п. Коли­чество воды, поступившей к уровню подземных Вод за 1 год, со­ставило слой: при п~ 4 160 мм, при п = 3 500 мм и при п — 2 1400 мм. Как видно, в данном случае двукратное увеличение пока­зателя степени п приводит к изменению питания почти на порядок. Это важное и серьезное обстоятельство, налагающее весьма жесткие требования к экспериментам по определению параметров влагопереноса.

Не менее важным оказывается и характер водопоступления в зону аэрации. Последнее отчетливо прослеживается при анализе влияния выбранных пределов увлажнения во время поливов на фильтрационные потери, определяющие питание подземных вод. При численных экспериментах рассматривался режим оптималь­ного регулирования, при котором поливы назначались при дости­жении влажности нижнего предела увлажнения в корнеобитаемой зоне. Верхний предел во всех вариантах оставался одинаковым и соответствовал влажности 38%, а нижний предел менялся от 28,4 до 20,5%. Решение задачи показало, что сужение пределов увлажнения в сторону больших значений влажности приводит к существенному увеличению числа поливов и непроизводительных потерь на питание подземных вод. Это видно из данных табл. 32.

Полученные результаты свидетельствуют о существенном влия­нии характера верхнего слоя на результирующее питание подзем­ных вод. Эта особенность определяет как собственно величину питания, так и неравномерность ее по площади, что следует учиты­вать и при оценке питания в естественных условиях, и при прогно­зах этой величины при орошении.

В связи с этим большое влияние на интенсивность водопоступ­ления должен иметь рельеф местности, особенно наличие на ней

Понижений, в которых может скапливаться вода. Наличие таких понижений приводит к существенному увеличению питания подзем­ных вод. При исследовании влияния этого фактора целесообразно выделить понижения трех порядков. К понижениям первого по­рядка можно отнести образования, размер которых на порядок меньше мощности зоны аэрации. Как показывают натурные иссле­дования, их влияние на формирование режима влажности прояв­ляется на глубину порядка среднего размера понижения. Ниже этой глубины влажность становится в каждом сечении одинаковой, а влагоперенос можно рассматривать, как одномерный. Ко второму порядку относятся понижения, размер которых соизмерим с мощ­ностью зоны аэрации. В этих условиях поток влаги имеет сложную пространственную структуру и задача не может быть сведена к од­номерной. К образованиям III порядка следует отнести формы рельефа, значительно превышающие мощность зоны аэрации. Здесь влагоперенос в пределах каждой области можно рассматривать изолированно, в независимости от влияния соседней области. Рас­четы влагопереноса в таких условиях можно проводить, решая од­номерную задачу для каждой области. К образованиям такого рода относят блюдцеобразные понижения (поды), характерные для областей развития лёссовидных суглинков, днища балок, а также искусственные выемки. Анализ, проведенный JI. Р. Шре­дером для подов с различной площадью водосбора, показал, что питание подземных вод в среднем для всей площади водосбора, включая под, больше, чем для аналогичных по строению участков без понижений при одинаковом количестве осадков. Причем сред-

Амплитуда, м

Рис. 34. Результаты расчетов питания подземных вод в зависимости от глу­бины их уровня.

/ — иитеисивиость питания в естественных условиях; 2 — при орошении; 3 — ампли­туда колебания уровня в естественных условиях няя интенсивность питания ли­нейно возрастает с увеличением площади водосбора.

4. Качественным показателем режима питания подземных вод является режим их уровня. Как основные характеристики можно рассматривать среднюю глубину залегания уровня и амплитуду его колебания.

Глубина залегания уровня или, что то же самое, мощность зоны аэрации является основным показателем, характеризующим направленность процесса влаго­переноса.

Известно, что среднегодовой баланс на уровне подземных вод (интенсивность питания или ис­парения) тесно связан с глубиной его залегания. Для большей ча-

Мерность: при близком залегании уровня доминируют процессы ис­парения, а при глубоком — питания.

Общие закономерности изменения питания хорошо видны на рис. 34, где представлены результаты численного моделирования процесса влагопереноса, проделанного Л. Р. Шредером для усло­вий юга Украины. И в естественных условиях, и при орошении процессы испарения преобладают над питанием до определенной глубины залегания уровня. Более глубокое залегание уровня, на­оборот, характеризуется преобладанием питания, которое с глуби­ной уровня увеличивается, стремясь к постоянной величине.

Амплитуда колебания уровня характеризует поступление воды только в определенные периоды времени и поэтому не может слу­жить показателем интенсивности среднегодового питания. Во вся­ком случае, наблюдаемое часто закономерное уменьшение ампли­туды колебания уровня с увеличением мощности зоны аэрации свидетельствует только о затухании колебаний влажности в годо­вом разрезе в соответствии с закономерностями, рассмотренными в 4 разделе § 2 этой главы.

Такой вывод подтверждается и результатами моделирования, представленными на рис. 34, которые убедительно показывают, что вне зависимости от величины результирующего питания и его знака амплитуда колебания уровня уменьшается с глубиной.

Представленные в этом параграфе материалы дают некоторую основу для осуществления предварительного районирования терри­тории по качественным показателям, характеризующим величину питания. В основу районирования должны быть положены прежде всего принципы, рассмотренные в гл. 1.

Вторым этапом является выделение площадей с различной глу­биной залегания уровня, характеризующей направленность процес­сов влагопереноса. На этой основе могут быть выделены районы с различным характером форм мезорельефа и строения зоны аэра­ции, проведено геоботаническое районирование. Иерархия тексоно - мических единиц может определяться в данном случае конкрет­ными условиями.