ГИДРО­ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ НА ОРОШАЕМЫХ ТЕРРИТОРИЯХ

ГЕОФИЛЬТРАЦИОННАЯ СХЕМАТИЗАЦИЯ

Как уже отмечалось, в процессе геофильтрационной схематиза­ции гидрогеологические закономерности представляются в гидро­динамической (фильтрационной) постановке с полной математиче­ской формулировкой рассматриваемой задачи; при этом устанав­ливаются характер протекания процесса во времени, пространст­венная структура потока, граничные условия и внутреннее строение потока, определяемые закономерностями изменения гео­фильтрационных параметров.

Обычно рациональным оказывается решение рассматриваемой задачи в два этапа. На первом этапе задача носит региональный характер и направлена на обоснование изменения основных эле­ментов питания подземных вод (площадного или напорного пита­ния, расходов потока по контурам орошаемого массива); в ней рассматриваются основные региональные закономерности форми­рования подземных вод с учетом взаимодействия орошаемых мас­сивов и очередности орошения и дренажа; при этом инженерные мероприятия (орошение и дренаж) задаются ориентировочно (их действие осредняется в пределах орошаемой территории).

На втором этапе рассматриваются локальные задачи, напра­вленные на обоснование конкретных мелиоративных мероприятий и особенно основных элементов дренажа; при этом обычно могут изолированно рассматриваться отдельные участки орошаемой тер­ритории, в частности, участки между дренами, где, исходя из ре­шения региональных задач, выбираются данные для задания пло­щадного питания или бокового притока.

В соответствии с постановкой прогнозных расчетов следует вы­делить, по крайней мере, два типа фильтрационных схем, разли­чающихся по масштабности рассматриваемых задач: региональные и локальные.

Региональной фильтрационной схемой охватывается вся область формирования подземных вод или отдельные ее части в пределах зоны влияния орошаемого массива.

При обосновании локальных фильтрационных схем рассматри­вается структура фильтрационного потока в зоне влияния конкрет­ных мелиоративных мероприятий (в частности, дренажных соору­жений) с учетом региональных закономерностей формирования, развития и разгрузки подземных вод. В этом случае наиболее важ­ными представляются анализ вертикальной неоднородности потока и оценка значимости неравномерности инфильтрационного пита­ния (во времени и пространстве).

Формирование геофильтрационного потока на орошаемых тер­риториях происходит главным образом в пределах осадочных отло­жений, представленных чередованием песчаных и песчано-граве - листых водоносных пластов и глинистых разделяющих слоев, вклю­чая возможное наличие довольно пестрых покровных отложений, причем мощность этих отложений может быть весьма значительной (до 1000 м и более). В этих условиях важно найти оптимальные пути для наиболее четкого графического представления (картиро­вания) этих элементов строения массива (потока), которые могли бы дать основу для гидрогеологического обоснования необходимо­сти дренажа и принципиального обоснования его типа.

При постановке такой задачи следует иметь в виду, что основ­ным фактором, определяющим выбор типа систематического дре­нажа и эффективность его действия, является наличие в разрезе хорошо проницаемых водоносных горизонтов [28, 35]. В связи с этим при картировании геофильтрационного строения для обо­снования локальных расчетных схем систематического дренажа должны быть прежде всего установлены участки орошаемого мас­сива, однотипные по развитию водоносных пластов, так что наи­более крупной таксонометрической единицей рассматриваемого районирования может быть выбрана фильтрационная система во­доносных пластов.

Очевидно, детальность геофильтрационной схематизации так же, как и гидрогеологического районирования в целом, определяется решаемыми практическими задачами. Остановимся прежде всего на методике мелкомасштабной геофильтрационной схематизации (1 :500ООО-—1 : 1 000 000), предназначенной для ориентировочного обоснования гидрогеологических предпосылок развития мелио - раций.

Применительно к рассматриваемой детальности районирования могут быть даны только самые общие представления о геофильт­рационных схемах. В частности, целесообразно выделить три слу­чая: а — наличие в разрезе над региональным водоупором хорошо проницаемых водоносных пластов с проводимостью более 20 м2/сут; b — наличие в разрезе над региональным водоупором только отно­сительно слабопроницаемых пород с суммарной проводимостью от 2—5 до 20 м2/сут; с—наличие в разрезе мощной толщи весьма слабопроницаемых пород, коэффициент фильтрации которых со­измерим с инфильтрационным питанием при поливах (менее 0,01—• 0,001 м/сут).

В случаях «а» и «Ь» возхможны многообразные геофильтрацион­ные схемы, поэтому следует дополнить эти обозначения следующей индексацией: а' — суммарная проводимость 20—100 м2/сут; а"— „ „ 100—500 „ ;

А!" — „ „ более 500 „ ;

Аг — водоносный пласт представлен трещиноватыми породами;

А0 — нет слабопроницаемых покровных отложений (с поверхности

Хорошо проницаемый водоносный пласт); аг — в верхней части разреза могут быть встречены относительно водоупорные прослои глин или тяжелых суглинков, ослож­няющие действие горизонтального дренажа; Ь' — мощность слабопроницаемых отложений менее 50 м; Ь" — то же, более 50 м; Ьч и 6Г — то же, что и ат и аг.

Например, водоносный пласт в трещиноватых породах, прово­димость меняется в широких пределах, в покровном слое суглин­ков могут быть встречены прослои глин с k<\0~2 м/сут —

Или водоносный пласт песчано-гравийных пород, залегающих с по­верхности, проводимость 200—400 м2/сут — а"; или толща слабо­проницаемых трещиноватых песчаников мощностью 80 м (подсти­лаются глинами), в верхней части разреза нередко встречаются прослои водоупорных глин — Ь" .

Используя данные геофильтрационной схематизации и другие сведения мелиоративно-гидрогеологического районирования (глу­бины до воды, сведения о подземном стоке), можно в первом при­ближении судить о прогнозных изменениях в положении уровней подземных вод и в мелиоративной обстановке. Наряду с этим можно следующим образом выделить рациональные типы дренажа в различных геофильтрационных условиях:

А' — горизонтальный и комбинированный, а"-'" — вертикаль­ный и комбинированный, Ь — горизонтальный.

При более детальной разработке геофильтрационной схемати­зации для Схемы генерального плана развития мелиорации часто возникает необходимость более определенной количественной ин­формации для создания доказательных представлений о наиболее рациональных технических решениях. В этих случаях в зависимо­сти от конкретных задач предпроектных проработок требуется как более надежное построение региональных прогнозов и выбор наи­более благоприятных с гидрогеологической точки зрения объектов первоочередного развития мелиорации, так и обоснование началь­ных геофильтрационных схем для приближенных расчетов соору­жений мелиоративных систем. Вместе с тем методика геофильтра­ционной схематизации наиболее полно может быть представлена для конкретного проектирования, когда ставится определенная за­дача количественного обоснования мелиоративных расчетов.

В этом случае результаты геофильтрационной схематизации удобнее всего выносить на специальные карты, отражающие основ­ные закономерности строения массива применительно к обоснова­нию конкретных инженерных решений.

Как уже отмечалось, для построения локальных расчетных схем систематического дренажа целесообразно прежде всего выделить участки массива, однотипные по развитию водоносных пластов. В связи с этим наиболее крупной таксономической единицей при рассматриваемом картировании является фильтрационная система
водоносных пластов. Исходя из реальных особенностей строения водоносного комплекса, можно выделить следующие четыре основ­ных типа фильтрационных систем: I — однопластовая система (один водоносный пласт однородного или двухслойного строения); II — двухпластовая система (два водоносных пласта разделены слабопроницаемым слоем, верхний пласт однородного или двух­слойного строения); III — «беспластовая» система (неоднородная или сравнительно однородная толща слабопроницаемых пород); IV — водоупорная система (развитие в разрезе относительно водо­упорных пород).

В реальных условиях встречаются и многопластовые фильтра­ционные системы, представленные чередующимися в разрезе водо­носными пластами и слабопроницаемыми слоями, однако при построении расчетных моделей мелиоративного дренажа такая си­стема может быть схематизирована и реализована как двухпласто­вая или однопластовая [29]. Анализ результатов такого райони­рования позволяет судить о целесообразности применения различ­ных типов дренажа. Так, в случае I и II систем рационально применять систематический вертикальный дренаж. При двух и бо­лее водоносных пластах следует сопоставлять несколько вариантов размещения в разрезе фильтров скважин вертикального дренажа. На участках развития систем III наиболее эффективен горизон­тальный дренаж (реже комбинированный). Система IV характе­ризует случаи, когда искусственный дренаж неприменим.

Рассмотрим в качестве примера один из конусов выноса пред­горного шлейфа Туркестанского хребта в Джизакской степи (рис. 2). Здесь отмечается характерная для флювиальных отложе-

Водонос­ных пластов

Ний предгорных районов диф­ференциация обломочного ма­териала в направлении от гор­ных сооружений к базису эро­зии. В верхней части конуса выноса развиты мощные тол­щи галечников, которые по на­правлению сноса постепенно расслаиваются глинистыми породами. На периферии предгорного шлейфа послед­ние преобладают в разрезе (рис. 3).

На начальных стадиях ис­следования территории наря­ду со схематизацией по мор- фогенетическим признакам це­лесообразно прибегать к коли­чественным обобщениям, поз­воляющим выявить общие за­кономерности в изменениях основных показателей строе­ния и гидрогеологических ус­ловиях территории. В частно­сти, для Джизакского массива характерно закономерное уменьшение суммарной мощ­ности хорошопроницаемых сло­ев в направлении сноса ма­териала. На рис. 4 показан график изменения отношения мощ­ности песчаных слоев к общей вскрытой мощности, построенный на основании обобщения материала по 40 скважинам, находя­щимся на различных профилях. Количество хорошопроницаемых прослоев в разрезе определяется законом распределения Пуас­сона. В частности, вероятность Рп встречи п прослоев в среднем может быть определена по формуле

Р„ = 0,09-М!, (Ы)

Расчетные вероятности встречи того или иного числа горизонтов

В разрезе следующие:

П. " 0 1 2 3 4 5 6 Ра. 0,09 0,21 0,26 0,2 0,13 0,05 0

Как видно из приведенных данных, для большей части площади территории (более 60%) характерно распространение от 1 до

Т

3 слоев хорошопроницаемых прослоев. На 10 % площади хорошо - проницаемые слои до глубины 200 м вообще не встречены. Причем большая их часть (более 60 %) сосредоточена в верхней части раз­реза до глубины 50 м.

Характер распределения слоев в разрезе виден из графика кумулятивной кривой вероятности встреч прослоев на различных глубинах (рис. 5). Этот график позволяет правильно поставить дальнейшие изыскания, ограничив их глубиной 100 м и сосредото­чив главным образом в верхней 50-метровой толще.

Характерной особенностью строения предгорий Туркестанского хребта является широтное простирание генетических комплексов, формировавшихся в процессе сноса материала. Эти процессы опре­деляют масштаб геологической неоднородности, выразившейся

Рис. 5. Кумулятивная кривая вероятности встречи скважиной хорошопроницае - мого прослоя на различной глубине

Рис. 6. Корреляционная функция изменения суммарной мощности песчаных слов в зависимости от расстояния.

1 — при направлении вдоль склона; 2 — поперек склона
в чередовании зон, для которых характерны большие мощности хорошопроницаемых пород, с зонами, где они практически не встречаются. Зоны с достаточно развитыми линзами и прослоями песка имеют характер русел, вытянутых в направлении сноса ма­териала. Эта общая тенденция хорошо видна из графиков корре­ляционной функции, построенных для суммарной мощности песча­ных прослоев (рис. 6).

Корреляционная функция, показывающая характер изменения мощности песчаных слоев вдоль склона, имеет плавный характер и указывает на хорошую коррелированность разрезов по скважи­нам, расстояние между которыми около 5 км. Корреляционная функция, характеризующая изменение мощности поперек склона, имеет ярко выраженную периодичность и указывает на слабую кор­релированность разрезов по скважинам, удаленным друг от друга уже на 2 км. Полученные характеристики позволяют обоснованно подойти к построению карты суммарной водопроводимости, необ­ходимой при решении региональных задач. При этом целесооб­разно приведение сложной толщи к одному водоносному гори­зонту, эквивалентному ей по проводимости Гэ

Гэ = г1 + Г2+... +Та, (1.2)

Где Т\, Т2, Тп — проводимости различных водоносных горизонтов. Этот водоносный горизонт (назовем его «эквивалентным») будет иметь напор #э

//э_ Н1ті + Н2т2+ ... +нптп ^ {х

Т э

Где Ні, #2, Нп — напоры в соответствующих горизонтах.

При решении региональных задач линейные размеры рассмат­риваемой области, как правило, значительно превышают величину фактора перетекания, определяемого сопротивлением слабопро­ницаемых слоев, что позволяет считать Нс = Подобное допу­щение оказывается справедливым и при рассмотрении естествен­ного потока. В области транзита напоры в различных горизонтах отличаются незначительно и в большинстве случаев соответствуют отметкам свободной поверхности. Последнее обусловлено тем, что верхняя толща отложений конусов выноса (до глубины 40—50 м) является основной водопроводимой частью разреза. Таким образом, величина напора Нэ может быть получена либо непосредственно по скважине, вскрывающей всю толщу отложений, либо с некото­рыми допущениями по скважинам, вскрывающим только свобод­ную поверхность. В последнем случае необходимо иметь достаточно данных, обосновывающих возможность принятия в качестве экви­валентного напора напор на свободной поверхности. Значения эк­вивалентной проводимости Тв можно получить путем численного анализа напорной поверхности эквивалентного пласта исходя из соотношения

(І.4)

Ч

Где Ті и іі — водопроводимость и градиент на г-м участке линии тока. Для получения абсолютных значений Т необходимо иметь данные опытных откачек, позволяющие непосредственно рассчитать локальные значения Т и распространить их на всю рассматривае­мую область. Подобного рода построения профиля проводимости можно проводить только по линии тока естественного потока при отсутствии на рассматриваемом участке испарения или питания. Карта проводимости эквивалентного пласта строится интерполя­цией между отдельными профилями. Такая карта была составлена для той части конуса выноса, где отсутствует разгрузка подземных вод за счет испарения. Для построения была использована карта гидроизогипс, отражающая характер свободной поверхности по­тока. Предварительно был проведен корреляционный анализ, по­зволяющий судить о соотношении градиентов свободной и пьезо­метрической поверхностей эквивалентного пласта на тех участках, где она известна. Результаты анализа показали полное соответст­вие (коэффициент корреляции 0,95) градиентов. Изучение рас­пределения напоров в различных водоносных горизонтах на элек­трической модели выявило, что существенное различие (более 1 — 2 м) в них наблюдается только в том случае, когда коэффициент фильтрации разделяющих слоев меньше 10~4 м/сут.

Изучение региональных схем потока, помимо рассмотренных выше карт параметров, требует обоснования граничных условий рассматриваемой территории. Верхние области конуса выноса яв­ляются областями с обеспеченным питанием, что дает возможность принять здесь границу с постоянным расходом. Границы, идущие вдоль склона, совпадают с линиями тока естественного потока, из­менение направления которого при орошении незначительно. В связи с этим их можно рассматривать как непроницаемые.

В нижней части конуса выноса происходит разгрузка подзем­ных вод за счет испарения со свободной поверхности потока там, где она находится на глубине меньше критической. Здесь в каче­стве граничного условия нужно задавать условие третьего рода, определяемое характером испарения и глубиной залегания свобод­ной поверхности подземных вод. Это условие должно задаваться на всей площади, где в естественных условиях происходит испаре­ние. В тех областях, где в результате работы дренажа уровень понизился на глубину, большую критической, граничное условие меняется на условие второго рода, а при решении задачи сложе­нием решений, питание, задаваемое в этом случае, должно соответ­ствовать интенсивности испарения в естественных условиях.

Сложность гидрогеологических условий и их разнообразие обу­словливают необходимость по-разному подходить к обоснованию дренажа в различных частях конуса выноса. Следуя закономер­ностям геологического строения и гидрогеологических условий в пределах рассматриваемого конуса выноса, можно выделить три района. I район характеризуется глубоким (до 50 м) залеганием свободной поверхности, которая проходит в отложениях галечника с высокими фильтрационными свойствами (коэффициент фильтра­ции до 30 м/сут). В этих условиях дренаж может происходить либо естественным путем, имея в виду, что при подъеме уровня проводимость водоносного горизонта увеличится почти в три раза, либо рядом скважин (заградительный дренаж). II район охваты­вает область средних частей конуса выноса. Свободная поверхность здесь находится на незначительной, в некоторых случаях близкой к критической, глубине и проходит в отложениях слабопроницае­мых супесей и суглинков. Проводимость эквивалентного пласта в этой области от 100 до 500 м2/еут. Участки орошения в этом районе можно рассматривать изолированно с учетом дополнитель­ного притока из первого района. Наиболее сложной представляется работа дренажа в нижних частях конуса выноса (III район). Здесь уровни подземных вод уже в естественном состоянии находятся на глубине выше критической, что обусловливает интенсивное испа­рение и, таким образом, разгрузку всего комплекса водоносных горизонтов. Эта область характеризуется преобладанием в разрезе суглинков и супесей. Песчаные горизонты встречаются редко и об­ладают незначительной мощностью (до 5 м). Суммарная проводи­мость в этой области уменьшается до 50 м2/сут.

Анализ результатов геофильтрационной схематизации показы­вает, что для системы 1-а (см. рис. 2, 3) целесообразно прежде всего рассмотреть вариант заградительного вертикального дре­нажа; для систем 1-6 и II-6, в—различные формы систематиче­ского дренажа; для системы ИІ-а — горизонтальный и комбиниро­ванный дренаж, а для системы Ш-б — преимущественно горизон­тальный дренаж.

Следует отметить, что в природных условиях нередко встре­чаются водоносные комплексы с тонкослоистым строением. В та­ких случаях формальный подход к фильтрационной схематизации может привести к существенным просчетам в оценке параметров дренажа. Это положение прежде всего относится к обоснованию гидродинамической роли прослоев хорошо - и слабопроницаемых пород при определении фильтрационной системы. Необходимость дифференцированного рассмотрения таких прослоев в расчетной схеме для наиболее простых условий может быть установлена по предварительным расчетам, а в более сложных случаях — реше­нием тестовых задач на аналоговых моделях.

Особенности строения покровных отложений влияют главным образом на гидродинамическое несовершенство горизонтального дренажа, которое существенно зависит от проницаемости этих от­ложений и сравнительно слабо от мощности. Поэтому основным параметром покровных отложений, который должен отражаться при картировании, является проницаемость слоя под уровнем за­ложения горизонтального дренажа. С точки зрения эффективности дренажа можно выделить три типа проницаемости покровных от­ложений: легкие, средние и тяжелые, причем в тяжелых практиче­ски исключается эффективная работа горизонтального дренажа, в средних требуется расчетное обоснование выбора типа дренажа, а в легких горизонтальный дренаж обычно оказывается предпочти­тельным.

Для оценки перечисленных условий целесообразно составлять карту-срез поверхности, соответствующей уровню заложения гори­зонтального дренажа с выделением зон тяжелых, средних и легких отложений. В зоне развития легких отложений можно, кроме того, показать участки, где покровный слой отсутствует или дрена пол­ностью его прорезает, В остальных случаях целесообразно выде­лять слои более проницаемых пород над уровнем заложения дре­нажа и слои менее проницаемых пород*—ниже этого уровня. На рис. 7 приводится пример картирования покровных отложений одного из участков совхоза № 13 в Каршинской степи (дельтовая равнина), для которого характерно разнообразное строение по­кровных отложений (рис. 8).

При оценке условий просачивания инфильтрационных вод необ­ходимо иметь представление о наличии в покровных отложениях слоев с низкой проницаемостью (<0,001 м/сут), поскольку наличие таких горизонтов в почвенном слое ставит под сомнение возмож­ность орошения этих земель, а присутствие их в нижней части раз­реза затрудняет применение вертикального дренажа. В ряде слу­чаев целесообразно составлять отдельную карту распространения таких слоев с указанием глубины их залегания.

При обобщении гидрогеологических предпосылок применения различных типов систематического дренажа синтезируются резуль­таты картирования водоносных

Рис. 8. Схемы строения покровной толщи в совхозе Jsfe 13 Каршинской степи в зависимости от условий дренирования.

А — тяжелые; Б — средине; В — легкие отложения

Систем I и II, содержащих водоносные пласты, следует рассмот­реть ряд случаев. Так, при небольшой мощности покровных отло­жений горизонтальный дренаж, прорезающий покровный слой, мо­жет оказаться наиболее эффективным. В случае низкой проницае­мости и существенной мощности покровных отложений нужно рассмотреть варианты применения комбинированного или верти­кального дренажа, а при средней и высокой проницаемости — все отмеченные типы дренажа. Участки с различными рекомендуемыми формами дренажа, установленные в результате картирования, мо­гут занимать сравнительно небольшие площади. Часто существен­ные различия в условиях осуществления дренажа определяются плановой неоднородностью строения покровных отложений, кото­рая может проявляться значительно резче, чем изменения прово­димости подстилающего водоносного пласта. Например, для усло­вий совхоза № 13 в Каршинской степи (см. рис. 8) расчетные рас­стояния между горизонтальными дренами меняются от 20 до 800 м и зависят от величины фильтрационного сопротивления покровных отложений. Последние могут существенно изменяться на сравни­тельно небольших расстояниях.

Следует отметить, что эффективность горизонтального дренажа в описываемых условиях практически не зависит от строения по­кровных отложений между дренами, так как при значении kB, пре­вышающем интенсивность инфильтрации, потери напора на верти­кальное просачивание несущественны. Поэтому учет особенностей строения покровных отложений целесообразно проводить только по линиям дренажа. Использование карты проницаемости покров­ных отложений наряду с топоосновой при проектировании позво­ляет выбрать наилучший вариант размещения дренажной сети в плане. В указанных условиях одним из вариантов такого реше­ния задачи может быть применение горизонтального дренажа с дополнительным введением скважин-усилителей (комбинирован­ный дренаж) на участках покровных отложений низкой и средней проницаемости. Необходимо отметить, что в таких условиях си­стема комбинированного дренажа оказывается не только эффек­тивной, но и достаточно мобильной с точки зрения корректирова­ния принятых решений в процессе рабочего проектирования и ме­лиоративного строительства. В этом случае более эффективное действие системы достигается устройством дополнительных сква­жин-усилителей при неизменных расстояниях между линиями дре­нажа.

В ряде осушительных систем (особенно в тяжелых минеральных почвах или при близком водоупоре) или при реконструкции мелио­ративных систем методика геофильтрационной схематизации может быть существенно модифицирована в зависимости от конкретных природных условий и поставленных задач.

Тем не менее рассмотренные общие принципы и методика схе­матизации природных условий позволяют подойти целенаправленно как к обоснованию инженерных решений, так и к постановке изы­сканий на объектах мелиорации.