ГИДРО­ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ НА ОРОШАЕМЫХ ТЕРРИТОРИЯХ

Насыщение и осушение зоны аэрации при колебаниях уровня

При изменении уровня подземных вод происходит сложный процесс переформирования режима влагопереноса. При снижении или повышении уровня с постоянной скоростью в зоне аэрации при

Условии ее достаточной мощности формируется определенный про­филь влажности, соответствующий скорости влагопереноса. При снижении уровня профиль влажности будет вытягиваться, стре­мясь к равновесному состоянию, обеспечивающему постоянный расход воды. При подъеме уровня равновесное состояние характе­ризуется сжатым профилем влажности. Для формирования равно­весного профиля даже при равномернохм изменении уровня тре­буется длительное время. В связи с этим коэффициент водоотдачи или недостатка насыщения, определяемый экспериментальным пу­тем, в начале процесса значительно меньше коэффициента водоем - кости породы. Со временем он возрастает, стремясь к постоянной величине.

Анализ изменения коэффициента водоотдачи при изменении уровня позволяет выделять текущий коэффициент водоотдачи (2.31) и предельный коэффициент водоотдачи, определяемый сум­марным количеством воды, прошедшей через свободную поверх­ность, отнесенным к изменению уровня

А + дй

ST S (2-82)

H

Из экспериментальных данных Н. 3. Моркоса и Б. М. Живовой следует, что коэффициент водоотдачи существенно зависит от ско­рости снижения уровня. Для анализа этого процесса представим капиллярную зону в виде набора капилляров. Для каждого капил­ляра характерны высота капиллярного поднятия г^ и коэффициент фильтрации ki, определяемые в зависимости от функций ф (6) и k{%). Сечение каждого капилляра определяет его элементарную емкость А8 (рис. 24). Динамика изменения высоты воды h в каж­дом капилляре при постоянной скорости уровня воды и опреде­ляется соотношением

Dli 1 1, (2.83)

Dx0 h + ито

Hi U Ы

Где h = -~ ; и — -; т0

Фі ki

Правомерность такой модели доказывается сопоставлением опыт­ных данных и расчетом (рис. 25).

Соответственно коэффициенты водоотдачи р.,- и предельной во­доотдачи Щі для каждого капилляра можно найти по формулам:

А9 dh /0

И

(2.85)

Рис. 25. Сопоставление данных по динамике влажности при осушенни колонны песка, получен­ных расчетом на: 1 — 5; 2—10; 3 — 20; 4 — 45 мин, с опытными данными работы [49] (5)

Полные значения водоотдачи р, и \xk определятся далее суммиро­ванием

Yi м-t и М-Л = llki >

T=i

Где п — количество капилляров. Заметим, что A0n = 0т— 0О соот­ветствует водоемкости породы ро-

Расчет по формулам (2.84), (2.85) показывает, что для различ­ных значений й динамика рг- и может быть описана экспонен­циальной функцией

Щ = Л0 1-ехр^-0,16^ № = AOj^l - exp ^—0,08

Учитывая, что закон изменения элементарной водоотдачи оди­наков для различных скоростей снижения уровня, коэффициент во­доотдачи можно определить либо по формулам (2.86), либо инте­грированием непрерывных функций 1

Fexpf-0,16МЩ <й1

Для анализа зависимости водоотдачи от времени проведем чис­ленный расчет по формуле (2.89) при следующих параметрах:

K = ko&, ф = 2НК (1 — 0); п -4. Результаты расчета представлены в табл. 23.

Как видно, процесс изменения водоотдачи во времени весьма и весьма длительный, а его динамика определяется безразмерным

2

Г М „

Временем запаздывания ^ = — ---. Время, начиная с которого

ІІПц

Коэффициент водоотдачи определяется с точностью 20 %, можно определить из соотношения

Нки k2

Так, для песков с коэффициентом фильтрации 10 м/сут и Нк — = 0,1 м при скорости снижения уровня 0,01 м/сут для оценки во­доотдачи с точностью 20 % требуется время порядка 0,6 сут. При тех же условиях для супесей с k = 1 м/сут и Як — 1 м этот период составляет 600 сут. Следует отметить, что полученные оценки справедливы для принятых зависимостей параметров влагопере­носа от влажности. Для других зависимостей пороговое время, на­чиная с которого водоотдача становится практически постоянной, будет иным. При усредненной по влажности высоте капиллярного поднятия Як и линейной зависимости коэффициента влагопереноса от влажности пороговое время определится следующим соотноше­нием:

(2.91)

K0

При этом точность определения водоотдачи составит 20%. По-ви­димому, именно указанными выше особенностями объясняются низкие значения коэффициента водоотдачи для тяжелых и средних пород, полученные по данным режимных наблюдений и откачек. Обычно для суглинков ^х = 0,01—0,05, для супесей р = 0,05—0,1, что значительно меньше водоемкости этих пород — ро=0,2—0,25. Особенно сложно протекают процессы осушения и насыщения зоны аэрации при изменении темпа подъема уровня и смены на­правления его движения на обратное. В этом отношении весьма показательным представляются результаты опыта, проведенного Юнгсом (Youngs Е. G., 1969 г.). Эксперимент состоял в периоди­ческом дождевании лизиметра с песком, с фиксированием расхода

А

Qg стекающей из поддона воды. Юнге исследовал динамику коэф­фициентов насыщения и водоотдачи, которые удовлетворяли бы обычно используемому балансовому соотношению

Dh

Qg - qw = - Ц. (2.92)

Где qw — расход воды, поступающей на поверхность лизиметра. На рис. 26 представлены графики изменения величин qg, qw, р, определенных по формуле (2.92). Положительные значения соот­ветствуют водоотдаче, отрицательные—насыщению. Как видно из рисунка, значения коэффициента водоотдачи меняются во времени в широких пределах и на некоторых этапах достигают неправдопо­добно больших величин.

При длительных и монотонных процессах, когда темп измене­ния уровня остается постоянным, коэффициенты водоотдачи или
насыщения можно считать равными соответствующим коэффициен­там емкости. К таким процессам можно отнести: подъем уровня при орошении, если исходная его глубина была достаточно боль­шой; подпор прибрежных территорий в районе каналов и водохра­нилищ; длительное водопонижение в связи с эксплуатацией под­земных вод.

Как следует из формулы (2.31), коэффициенты водоотдачи или насыщения зависят от положения свободной поверхности подзем­ных вод относительно поверхности земли. Особенно эта зависи­мость начинает проявляться при глубине залегания уровня порядка 3Як. Моделирование подъема уровня в суглинках (0т = 0,45, Вэ = = 0,2, k = 2 -10~2 м/сут, #к = 1 м) подтвердило это положение (рис. 27). При подъеме уровня со скоростью 0,5; 1 и 1,5 м/мес коэффициент насыщения зависел не столько от скорости подъема уровня, сколько от положения его относительно дневной поверхно­сти. При глубине уровня 4 м, и = 0,25, при глубине 3 м р, = 0,18; при глубине 1,5 м р —0,12. Зависимость коэффициентов насыще­ния и водоотдачи от глубины уровня подземных вод рассмотрена в ряде работ и наиболее полно обобщена С. Ф. Аверьяновым [14]. Им были получены зависимости для текущего и предельного ко­эффициентов водоотдачи из предпосылки неизменности профиля влажности над уровнем подземных вод. Следует отметить, что на эту зависимость влияют не только характер связи между высотой всасывания и влажностью, но и процессы, которые происходят в зоне аэрации. В частности, при поступлении в нее воды или при испарении зависимость коэффициентов насыщения или водоотдачи будет различна.

Эти особенности можно учесть, считая в первохМ приближении зависимость влажности от высоты всасывания линейной величиной, а коэффициент влагопереноса — постоянным и равным коэффици­енту фильтрации. Для этой простой модели коэффициенты водоот­дачи или насыщения определятся по формуле

(2.93)

При инфильтрации / следует принимать отрицательным, а при испарении — положительным. Причем в первом случае формула

Справедлива при - г—^ 1, а во втором —при -—<2Нк— 1. Соот-

«0 Ко

Ветственно коэффициент предельной водоотдачи

Цк = 0,5р.0.

Зависимость (2.93) может применяться при z<2HK.

Близкая к линейной зависимость между водоотдачей и глубиной залегания уровня подтверждается прямолинейностью графика (рис. 28), на осях которого отложены свободный объем зоны аэра­ции V = Рк2 И 22.

Совершенно иначе протекает процесс осушения и насыщения пород в среде с гетерогенно-блоковым строением. Насыщение по­
род происходит очень быстро, по - скольку вода при этом может пере - 08 - двигаться по макропорам и трещи­нам. Причем, поскольку их доля в общем объеме породы очень мала, процесс заполнения трещин и мак­ропор происходит очень быстро. Полное насыщение происходит с за­паздыванием, определяемым време­нем влагообмена, однако период этот очень непродолжителен и редко превышает 1 сут. При снижении уровня в первую очередь происхо­дит осушение макропор и трещин, которые определяют очень низкие значения водоотдачи, не превышаю­щие обычно 5 %. Затем начинается процесс осушения блоков и агрега­тов породы, длительность которого может превышать 10 сут. Опыт определения водоотдачи при откачках в двухслойной среде, где покровные отложения пред­ставлены средними и тяжелыми породами, показывает, что даже при весьма длительных откачках коэффициент водоотдачи не пре­вышает 5%. Анализ этого процесса, данный в работе [21], пока­зывает, что фаза полного гравитационного режима для средних су­глинков наступает только через 100 сут от начала опыта. Из этого анализа, в частности, следует, что постановка откачек для опреде­ления водоотдачи в тяжелых породах лишена практического смысла.