ГИДРО­ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ НА ОРОШАЕМЫХ ТЕРРИТОРИЯХ

ОСНОВЫ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКОЙ ГИДРОДИНАМИКИ СОЛЕОБМЕНА И СОЛЕПЕРЕНОСА

При изучении физико-химического характера процессов рассо­ления следует, разумеется, учитывать представления о токсичности различных солей. По Н. И. Базилевич и Е. И. Панковой, за кри­терий засоления принимается «суммарный эффект» токсичных ионов, выраженный в эквивалентах по С1, исходя из следующих соотношений: 1С1 = 0,1СОз — 2,5НС03 = 5S04. По величине «сум­марного эффекта» (будем обозначать его Сся) почвы разделяются по степени засоления на: незасоленные (од = 0,3 ммоль), слабо - засоленные (Сс1= 0,3—1 ммоль), среднезасоленные (cci=l— 3 ммоль) и очень сильнозасоленные (ссі = 7 ммоль).

При обосновании физико-химических моделей процессов соле - обмена водный раствор обычно считается однокомпонентным, од­нозначно характеризующимся концентрацией солей «с». Рассматри­вая такую модель, как первое приближение, можно в качестве «с» принимать величину «суммарного эффекта» са или концентрацию преобладающих солей. Вместе с тем при сложном солевом составе водного раствора отдельные компоненты характеризуются совер­шенно различными условиями солевого обмена между жидкой и твердой фазами и такая модель уже может быть неудовлетвори­тельной. Например, при сульфатно-хлоридном или хлоридно-суль - фатном засолении сульфаты переходят в водный раствор значи­тельно труднее, чем хлориды, гораздо дольше оставаясь при промывках в твердой фазе. В таких случаях можно проводить рас­четы солевого обмена и переноса для каждого компонента в от­дельности, без учета их взаимовлияния. Однако такой подход еще требует экспериментального обоснования, которое до сих пор не осуществлялось.

Для растворения солей, находящихся в твердой фазе, Н. Н. Ве - ригин предлагает [10] уравнение кинетики вида

(5.1)

Где jVt — содержание солей в твердой фазе в единице объема грунта; сп — концентрация насыщения; у— коэффициент скорости растворения; k — параметр, зависящий от характера распределе­ния солей в грунте (& = 0 при пленочном засолении, & = 0,5 при дисперсном засолении). Применительно к этому типу уравнения для растворения гипса, дисперсно распределенного в песчано-гли - нистых грунтах, А. Е. Орадовской получены значения у = 10— 100 сут-1.

Уравнения физико-химического обмена должны рассматри­ваться далее совместно с уравнением переноса солей, получаемым из условия неразрывности солевого потока. Запишем такое урав­нение для одномерного гомогенного потока, движущегося в направ­лении I со скоростью фильтрации v, учитывая конвективный пере­нос и микродисперсию, обусловливаемую молекулярной диффузией и гидродисперсией

Дс d(cv) , дМг дч

+ + —дГ__ О - gl2 . (5.2)

Здесь D — коэффициент микродисперсии, который складывается из коэффициента молекулярной диффузии DM и коэффициента гидродисперсии Dr == 8jV, где параметр гидродисперсии бг зависит от структуры среды. Для песчаных и глинистых пород характерное значение DM = 10~5 м2/сут, а параметр гидродисперсии наиболее обоснован для мелкозернистых песков, имеющих ориентировочно бг= 1 мм [10, 38].

Дальнейшее рассмотрение модели солепереноса будем прово­дить для хорошо растворимых солей (главным образом хлоридов), пренебрегая кинетикой их растворения.

Важнейшим геологическим фактором солепереноса является фильтрационная гетерогенность среды, обусловлен­ная особенностями литологического строения пород, а также нару­шениями, вызываемыми деятельностью растений и землероев.

ОСНОВЫ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКОЙ ГИДРОДИНАМИКИ СОЛЕОБМЕНА И СОЛЕПЕРЕНОСА

Изменчивость проницаемости по глубине, где выделяется слой пониженной про­ницаемости в интервале глубин 0,35—0,65 м, характеризующейся заметно боль­шим содержанием гипса и повышенной плотностью.

/ О,

1 1,71

0,46

2,74

0,37

0,21

0,19

, 0,31

0,85

2,50

Рис. 59. Распределение коэф­фициентов фильтрации (м/сут) по блокам монолита супесчано - суглинистых пород. По мате­риалам Е. К. Широковой и Ш. А. Караулова

Характерный пример структуры филь­трационного строения супесчано-суглини - стых отложений, обусловленного их лито ло­гической неоднородностью, представляют данные определения коэффициента фильтра­ции в отдельных блоках монолита, вырезан­ного с поверхности земли в периферийной части конуса выноса (район Голодной степи). Монолит имел форму куба с разме­ром сторон 1 м и разрезался на 27 кубиче­ских блоков размером ~0,3 м (рис. 59). Для каждого из блоков по данным про­дувки воздухом определялся коэффициент проницаемости (Ш. А. Караулова, Е. И. Ши­рокова), который пересчитывался в ко­эффициент фильтрации по воде. Значе­ния коэффициентов фильтрации приведены на рис. 59 для видимых на такой про­екции блоках, а полностью они приведены в табл. 39.

Как видно, в данном случае в пределах каждого горизонтального слоя по глубине значения проницаемости меняются в не­сколько раз, причем не выявляются какие - либо закономерности изменчивости этих значений по площади; более четкой является

Наиболее простой и употребительной расчетной моделью, не­посредственно учитывающей фактор гетерогенного строения, яв­ляется квазиоднородная гетерогенно-блоковая среда (среда с двойной емкостью), в которой порода принимается со­стоящей из равномерно распределенных слабопроницаемых бло­ков, прорезаемых проницаемыми каналами (прослоями, трещи­нами), причем в проницаемых каналах перенос осуществляется только конвективным путем, а в слабопроницаемых блоках— только диффузионным путем. Существующие варианты этой мо­дели различаются по характеру развития диффузионных процес­сов в блоках. Наиболее простым и употребительным вариантом является схема «сосредоточенной емкости» блоков елоисто-столб-

Верхний

1,71

0,46

2,74

,

1,07

1,48

0,75

0,44

Средний

0,37

0,21

0,19

0,25

0,16

0,28

0,08

0,07

0,05

Нижний

0,31

0,85

2,50

0,96

1,70

0,69

2,34

1,37

ТАБЛИЦА 39 Распределение коэффициентов фильтрации в монолите

Слой

Коэффициент фильтрации, м/сут

Чатого строения [38J, в которой обмен между проницаемыми кана­лами и слабопроницаемыми блоками происходит только диффузи­онным путем, причем диффузионный поток в пределах блока осредняется.

Для решения мелиоративных задач солепереноса такого рода модель была впервые предложена В. Гарднером и Р. Бруксом [31], которые выделяли «мобильные» (двигающиеся вместе с водой) и «иммобильные» (отстающие от потока) соли. К такой же модели относится представление пористой среды в виде системы проход­ных и застойных («тупиковых») пор [31].

Анализ реального фильтрационного строения горных пород по­казывает, что нередко проницаемость блоков и каналов разли­чается не столь резко, чтобы можно было пренебрегать конвектив­ным переносом в блоках. Для учета этого фактора можно исходить из представления о мозаичной схеме строения породы (рис. 60), в которой учитывается, что в блоках идет фильтрация со средней

Yv /V

Скоростью k*v, где k* — относительная проницаемость блока, а ■& — средняя скорость фильтрации.

Исходя из такой схемы строения породы, рассмотрим солевой баланс блока объемом V&, площадью поверхности <йб и средней площадью горизонтального сечения сог. Обозначая концентрацию солей в каналах через с, а в блоке через с*, запишем выражения для расхода поступления солей в блок диффузионным путем

£ __

ОСНОВЫ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКОЙ ГИДРОДИНАМИКИ СОЛЕОБМЕНА И СОЛЕПЕРЕНОСА

Од—DM®6 —j-—*

Где /б — расчетное расстояние от поверхности до центра блока; DM — коэффициент молекулярной диффузии блока. Расход конвек­тивного поступления солей в блок при скорости фильтрации %*v определяется выражением

QK = k*var (с-с*). (5.4)

(5.3)

Составим далее уравнение ба­ланса солей в блоке

(5.5)

Dt

ЕЗ/ EEL? EEESj

Дс*

Q* + QK=nV6


Дс* dt

(5.6)

Где п — активная или эффектив­ная пористость породы. Совмест­ное решение этих уравнений дает дифференциальное уравнение внутреннего солеобмена

-а (с — с*),

Рис. 60. Направления переноса в гетерогенно-блоковой среде мо­заичного строения.

1 — направлення конвективного пере­носа в каналах, 2—3 — диффузионного (2) и конвективного (35 переноса в блоках

Где а — коэффициент солеобмена, составляющие которого ад и ак отражают действие диффузионного и конвективного переноса в блоках, причем

Ад=/?м1^б-) ак = k* • (5.6а)

В такой модели величина коэффициента массообмена оказы­вается линейно зависящей от скорости фильтрации и при

И ©б~©г~/2б можно представить структуру коэффициента массо­обмена в следующей форме:

Г) в*

А=ад + Хі>, X------ (5.7)

Для оценки относительной значимости конвективного и диффу­зионного переноса в блоке рассмотрим соотношение диффузионной и конвективной составляющей коэффициента массообмена, прини­мая, что блоки, имеют кубическую форму с размером стороны 2/б; тогда ©б = 24/2, Шг __ и

Ак k*v шг/б

—------- —_—• (5.8)

АД им (£»б Di^vi

Например, при характерных для зоны аэрации значениях h —

/■ч/

= 0,3 м, DM = 10~5 м2/сут, v = 0,1 м/сут, k* = 0,1 получим из (5.8)

«К 0,1-0,1.0,3 ол

~—їо^-зГ--- = 20, т. е. в этом случае диффузионныи пере­нос в блоке имеет пренебрежимо малое значение и внутренний массообмен идет главным образом конвективным путем, так что можно считать a~v. Этот пример показывает, что внутренний конвективный перенос в блоках может играть существенную роль в формировании процессов солепереноса.

В дополнение к уравнению внутреннего солеобмена следует записать общее уравнение солепереноса в проницаемых каналах и блоках. Для его вывода составим баланс солей в представитель­ном элементе потока объемом V, включающем в себя блок объемом Ve и относящиеся к нему каналы объемом FK - Пренебрегая диспер­сией солей в каналах, получим следующее балансовое уравнение:

—AQc=n (rK + Гб •), (5.9)

Где AQC — изменение расхода солепереноса в пределах рассматри­ваемого элемента. Выражение для этого расхода

Qc=<3KoKc-f co6&*vc*, (5.9 а)

Где ©к — площадь поперечного сечения каналов; vK — скорость фильтрации в каналах.

Дальнейший вывод дадим для одномерного потока в направле­нии I, характеризующегося средней скоростью фильтрации v. Обо­значая через х относительное содержание каналов и считая его одинаковым по объему и по площади поперечного сечения, имеем

V — XVK + (1 — к) k*V, ©к = Кй>, ©6= (1 — к) и, (5.10)

Где а) — площадь поперечного сечения рассматриваемого элемента. Тогда выражение (5.9а) приводится к виду

Qc = <ai> [е + £* (1 — х) (с* — с)]. (5.11)

Подставляя это выражение в балансовое уравнение (5.9) и имея

6Q

В виду, что —~АI и А1 = V/w, получим

Пк + й (1 — к) + v [с + Л*(1-к) (с* — с)]=0. (5.12)

При относительно малой проницаемости блоков можно пренебречь членом k*(l—х)(с* — с) и тогда уравнение (5.12) примет вид

«к (1 - к) (5ЛЗ>

Широкое использование в качестве исходной теоретической модели получила схема макродисперсии, в которой обычно прини­мается [1, 10, 19], что для хорошо растворимых солей все процессы внутреннего солеобмена учитываются введением обобщенного ко­эффициента макродисперсии D*, определяемого опытным путем. В этом случае дифференциальное уравнение для одномерного по­тока получается из (5.2) с заменой D на D* и исключением чле­нов, учитывающих солеобмен между жидкой и твердой фазами

Й JL л - п* — (5 14)

Dt + dl — ^ а/2 • <оЛ4>

Капитальное приложение такой теоретической модели к реше­нию мелиоративных вопросов с разработкой методики решения за­дач рассоления мелиорируемых земель было осуществлено С. Ф. Аверьяновым [1], а в последующем эти разработки были раз­виты для различных расчетных схем [19, 31]. На основе этой мо­дели были проанализированы натурные материалы солепереноса на орошаемых территориях, причем оказалось, что расчетные ве­личины параметра D* имеют значения порядка Ю-2 м2/сут, что су­щественно выше значений коэффициентов молекулярной и фильт­рационной диффузии. Это обстоятельство подтверждает, в частно­сти, предположение, что в природных условиях гетерогенность среды оказывает существенное влияние на характер солепереноса. Модель макродисперсии имеет определенное теоретическое обосно­вание на основе представлений о стохастическом представлении переноса в гетерогенной среде, однако правомерность применения этой модели к реальным породам требует доказательств, которых в существующих материалах не имеется.

ГИДРО­ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ НА ОРОШАЕМЫХ ТЕРРИТОРИЯХ

Квалифицированные услуги в области геологического обследования участка

Невозможно начать возведение дома без начального изучения геологического изыскания. Строительные нормы, используемые при возведении стен, напрямую зависят от полученных результатов изучения почвы. Что такое геология для строительства и как получить …

Инженерная геология в Киеве

Геологические исследования играют большую роль при масштабном строительстве домов, несущих конструкций и производственных мощностей. Среди большого спектра услуг инженерная геология занимает почетное место в потребительском рейтинге на рынке. Компания «Геоплан» …

Геологические исследования

Анализ состояния грунта - это один из самых важных этапов перед началом строительства. Данный спектр исследований позволяет всесторонне и объективно оценить положение дел на строительной площадке, чтобы конструктор мог правильно …

Как с нами связаться:

Украина:
г.Александрия
тел./факс +38 05235  77193 Бухгалтерия
+38 050 512 11 94 — гл. инженер-менеджер (продажи всего оборудования)

+38 050 457 13 30 — Рашид - продажи новинок
e-mail: msd@msd.com.ua
Схема проезда к производственному офису:
Схема проезда к МСД

Контакты для заказов шлакоблочного оборудования:

+38 096 992 9559 Инна (вайбер, вацап, телеграм)
Эл. почта: inna@msd.com.ua