ГИДРО­ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ НА ОРОШАЕМЫХ ТЕРРИТОРИЯХ

Расчеты систематического дренажа При нестационарной фильтрации

Нестационарный характер фильтрации к дренажу проявляется в периодических подъемах грунтовых вод в периоды инфильтрации осадков или оросительных вод и в последующей их сработке под влиянием испарения и дренажа. Определенную сложность пред­ставляет обоснование критериев расчета нестационарной фильтра­ции к дренам, соответствующих оптимальному мелиоративному ре­жиму, или, другими словами, выбор мелиоративных критериев дре­нирования.

В общем случае, мелиоративные критерии дренирования выра­жаются условиями создания оптимального теплофизического ре­жима (прежде всего, режима влажности), а также концентрации питательных и токсичных веществ в почвенном растворе корнеоби - таемой зоны. Для гумидной зоны такие критерии могут быть обоснованы уровенным режимом грунтовых вод и соответственно режимом влажности с приближенной оценкой ожидаемого содержа­ния питательных вешеств в почве. Такого же рода критерии ока­зываются существенно важными и в случаях автоморфного мелио­ративного режима в аридной зоне. При обосновании осушительного дренажа для гумидной зоны принятое за критерий расчета дре­нажа при нестационарной фильтрации время сработки tcp уровня грунтовых вод в первом приближении можно задавать от оконча­ния таяния снега до выхода на поля сельскохозяйственной тех­ники. При этом подразумевается снижение уровня грунтовых вод до глубины z = 0,5—-0,7 м, обеспечивающей нормальную работу сельскохозяйственной техники в весенний период. Поскольку при
таянии снега уровень грунтовых вод обычно приближается к днев­ной поверхности, для ориентировочного расчета междудренных расстояний можно использовать следующую зависимость, получен­ную из решений задачи сработки напоров в междудреньи, пред­ставленных в работах [18, 25] для характерных схем однородного, двухслойного и двухпластового строения:

Йкрй/Ср

•V-

Где hKV = zg — 2Kp; zg — глубина заложения дренажа от поверхно­сти земли; а — коэффициент уровнепроводности пласта, соответ­ствующий коэффициенту водоотдачи р, Е; vt - и Л/ — безразмерные параметры, определяемые в зависимости от строения пласта.

Для однопластовой системы при однородном строении водонос­ного пласта [19] Aj — A, v/ = v, причем А и v — безразмерные па­раметры, зависящие от Гд, определяются по табл. 37.

При двухслойном строении водоносного пласта [25J

V ТтПп V

Д/1 + ev2 knL2 '

Строения водоносного комплекса [36]

(3.72)

1 +ІП Лі

5(1-в") + 2L'A+Q"f (Ь)

Где

V/ ____ Т2_

Ті 4 Т2

2 L'

Ьд== ——?—безразмерный параметр гидродинамического несовер­шенства дренажа в первом пласте,

J L, (3.73)

Характерные значения функции: /(&) = 0,46 при b— 1, f(b) — 0,38 при 5 = 2; f (б)= 0,3 при 5 = 3;/ (&) при Ъ>3.

Вместе с тем при расчетах осушительного мелиоративного дре­нажа следует иметь в виду неопределенность задания коэффи­циента гравитационной емкости (водоотдачи) при залегании грун­товых вод вблизи поверхности земли, так что достоверность расче­тов нестационарного режима дренирования в каждом случае тре­бует обоснования путем его изучения на опытных участках дре­нажа.

Наиболее сложной представляется оценка рассматриваемых критериев для условий гидроморфного и полугидроморфного ре­жимов в аридной зоне, для которых характерно близкое к дневной поверхности залегание уровня грунтовых вод. В этом случае ос­новным критерием эффективности дренажа является оптимальный солевой режим почвенного раствора, рассматриваемый для условий нестационарной фильтрации, когда учитываются процессы сниже­ния уровня грунтовых вод после поливов под влиянием суммар­ного испарения и дренажа, сопровождающиеся накоплением со­лей в зоне аэрации.

В конце полива над свободной поверхностью грунтовых вод скапливается избыточная влага, которая расходуется на суммар­ное испарение (в верхней части зоны аэрации) и на стекание к грунтовым водам (в нижней части). При этом возможно и неко­торое расходование собственно грунтовых вод на питание растений и транспирацию (особенно, при гидроморфном режиме). После расформирования избыточной влаги в процессы испарения вовле­каются восходящие (в зону аэрации) токи грунтовых вод. Про­цессы накопления солей в этих условиях также носят достаточно сложный характер, что обусловлено прежде всего неоднородностью строения зоны аэрации.

В такого рода случаях (гидроморфный и полугидроморфный режимы) соленакопление в межполивной период регулируется за счет интенсификации снижения уровня грунтовых вод дренажем, в результате чего возрастает объем влаги, поступающей из зоны аэрации в грунтовые воды, снижается расход грунтовых вод в зоне аэрации и, следовательно, уменьшается количество испарившейся влаги. В общем случае для обоснования расчетов мелиоративного дренажа может быть установлен характер изменения поверхности с нулевым потенциалом влаги (уровень грунтовых вод), опреде­ляемый условиями создания оптимальной концентрации почвен­ного раствора (по одному характерному компоненту или сумме токсичных солей). Для приближенного решения нестационарных задач удобнее всего использовать в качестве исходного параметра расчетное время (^р) снижения уровня грунтовых вод до расчет­ной глубины (zp), соответствующей предупреждению засоления почвогрунтов.

В качестве одного из наиболее эффективных путей оценки кри­териев дренирования целесообразно использовать анализ форми­
рования мелиоративно-гидрогеологической обстановки на орошае­мых массивах-аналогах, несмотря на некоторую условность обосно­вания природно-хозяйственных аналогов. Данные натурного опыта необходимо использовать, по крайней мере, для качественной оценки создаваемого мелиоративного режима.

Разработка теоретических предпосылок обоснования критериев расчета нестационарной фильтрации к мелиоративному дренажу, предупреждающему засоление земель, связана со значительными трудностями, обусловленными главным образом сложностью опи­санных выше процессов, развивающихся в зоне аэрации в межпо­ливной период. Эта задача заслуживает обстоятельного исследова­ния на основе теоретических представлений о закономерностях вла­гопереноса в зоне аэрации, рассмотренных в гл. 2.

В общем случае для расчетов горизонтального и комбинирован­ного дренажа в условиях нестационарной фильтрации небходимо совместно учитывать периоды полива и межполивные периоды, так как в конце полива еще не наступает стабилизация инфильтраци - онного бугра на междудреньи. При этом расчетные зависимости имеют достаточно сложный вид, неудобный для практического применения. В частности, для одного периода полива и межполив­ного периода, когда можно интенсивность испарения считать мало изменяющейся во времени, выражение для напора в однопластовой системе посередине между дренами будет иметь вид [25]

{f « - 'п) - / (О + ~ [0,5 - f - 2Lg— f (t — t„ — /i))]J, (3.74)

Где

(3.74а)

Wn — средняя интенсивность инфильтрации в период полива; wH — средняя интенсивность расходования грунтовых вод на испарение и транспирацию в межполивной период; tn—продолжительность полива; t0 — время от начала межполивного периода, за которое испаряется влага только из зоны аэрации.

Расчетные зависимости целесообразно рассмотреть для двух случаев: а) при мало изменяющейся во времени интенсивности разгрузки грунтовых вод на испарение; б) при интенсивности этой разгрузки, линейно зависящей от глубины до уровня грунтовых вод, что нередко удовлетворительно соответствует натурным наб­людениям.

Для случаев а) и б) зависимости для определения L имеют вид:

А) при = const

(3.75)

Б) при W~ = Wo^l--------

V wn(0,4 + 2Lfl) fip=^ms-zp, p=vf+ «,,

Расчеты по формулам (3.75) и (3.76) проводят подбором, так как тр, Ьж, Vi и р зависят от L.

При двухпластовом строении водоносного комплекса эти зави­симости могут быть использованы в случаях, когда выполняется условие (3.52).

Расчеты систематического вертикального дренажа для условий нестационарной фильтрации представляют меньший практический интерес, так как вертикальным дренажем создаются значительные понижения уровня грунтовых вод и учет его относительно неболь­ших колебаний за цикл полив—межполивной период становится менее существенным.