ГИДРО­ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ НА ОРОШАЕМЫХ ТЕРРИТОРИЯХ

СИСТЕМАТИЧЕСКИЙ ГОРИЗОНТАЛЬНЫЙ ДРЕНАЖ

Гидродинамический анализ натурных данных, характеризующих влияние систематического дренажа, позволяет наиболее достоверно обосновать фильтрационную схему дренажа, оценить комплекс рас­четных гидрогеологических параметров и прежде всего фильтраци­онное сопротивление дренажного сооружения по характеру вскры­тия пласта (см. гл. 3, § 1).

В общем случае эта задача представляется сложной в силу того, что для реальных условий характерны как существенная пла­новая неоднородность строения водоносного комплекса, так и не­равномерность поливов в зоне влияния дрены, причем значимость этих факторов пока еще мало исследована и нередко структура фильтрационного потока остается недостаточно ясной. Поэтому для решения обратной задачи чаще всего эффективно применение аналогового моделирования. В сравнительно простых случаях, когда можно считать справедливым предпосылки, позволяющие обосновать схему одномерного планово-плоского ограниченного полуоткрытого потока, решение может быть получено аналитиче­скими методами.

Применение простых приемов расчета удобно для оперативного анализа гидродинамических процессов, формирующихся под влия­нием мелиораций, проверки в натуре проектных расчетных моделей дренажа и внесения корректив в постановку наблюдений на ме­лиоративной системе. Построение мелиоративного горизонтального дренажа в аридной зоне обычно производится таким образом, что расстояние между коллекторами достигает 1,5 км, а между дре­нами— 300 м. Таким образом, общая протяженность линии дре­нажа (из двух стыкующихся дрен в середине межколлекторного пространства) чаще всего оказывается значительно большей, чем

Междренное расстояние. Это позволяет при условии плановой одно­родности строения пласта и при равномерном (в плане) проведе­нии поливов ставить наблюдения, ориентируясь на решение про­фильной обратной задачи. При этом целесообразно размещать рас­четный створ на расстоянии не менее 1,5L от коллектора. Рацио­нальное размещение фильтров наблюдательных скважин в разрезе применительно к типовым схемам строения водоносного комплекса (см. главы 1, 3) показано на рис. 65.

Одновременно с наблюдением за напорами целесообразно из­мерять также и расход дрены. Исходя из того что расход дрены обычно сравнительно небольшой (до 1—3 л/с), замер его можно осуществить достаточно точно с помощью переносного водослива. Поэтому основная погрешность в оценке гидрогеологических пара­метров рассматриваемым методом может быть связана с влиянием инерционности наблюдательных скважин и с отклонением измерен­ной разности напоров Ah от теоретического описания этой ве­личины из-за недоучета нестационарности процесса [10].

При аналитических расчетах дренажа следует учитывать, что основное водопоступление к свободной поверхности подземных вод происходит в период полива. В межполивной период в начальной его стадии на испарение и транспирацию расходуется в основном влагозапас зоны аэрации, одновременно наблюдается спад уровня за счет оттока воды к дренажной сети. Вертикальный поток влаги непосредственно от уровня подземных вод к поверхности формируется на заключительных стадиях процесса, когда значи - тельная часть влагозапаса над уровнем подземных вод уже израс­ходована на испарение и транспирацию. Формально этот момент наступает тогда, когда граница, разделяющая восходящие и нисхо­дящие потоки, опустится до уровня подземных вод.

При закрытом дренаже целесообразно иметь скважину непо­средственно над дреной в водоносном пласте. Анализ режимных наблюдений за уровнями подземных вод на орошаемых террито­риях показывает, что подъем уровня происходит практически мгно­венно по сравнению с продолжительностью межполивного периода. В связи с этим основная информация обычно получается именно для этого периода. Анализ спада уровня осложняется изменением коэффициента водоотдачи во времени и оттоком влаги в зону аэра­ции. Рассмотренные ранее закономерности этих процессов дают основание для оценки ряда характеристик, которые могут быть ис­пользованы при усовершенствовании или реконструкции системы дренажа. К ним относятся «комплексное» сопротивление дрены Фд, определяющее связь между дренажным расходом q и разницей в напорах на дрене и между дренами Но при стационарном ре­жиме, а также расчетная нагрузка на дренаж. Учитывая сложный характер процесса водоотдачи, коэффициент водоотдачи целесооб­разно определять средним за характерные периоды времени. В ча­стности, среднее значение коэффициента водоотдачи можно опре­делить по зависимости

T

Уд—J ?д dt, (6.1)

О

Где V — объем дренажного стока за время і, а АЯ-величина из­менения уровня. Интенсивность питания W за время полива tn определяется в зависимости от подъема уровня Н°

(6.2)

Для анализа спада уровня можно воспользоваться зависимостью (3.74).

Это решение можно несколько упростить, исходя из того, что для периода полива характерно резкое повышение уровня между дренами, которое можно считать мгновенным. В этом случае из­быточный напор на междудреньи при достаточно длительном вре­мени, удовлетворяющем условию at>0,25L2, будет описываться уравнением [18]

H—H°Ae~v2x cos v (1 — jc). (6.3)

Для обработки опытных данных по уравнению (6.3) строится гра­фик зависимости IgH от времени восстановления уровня t. На этом графике опытные точки должны ложиться на прямую линию, имею­щую к оси t уклон it = 0,435v2a/L2 и отсекающую на оси lg Н вели­чину lg#', где #' = #°cosv(l—х). При наличии нескольких пьезометров, располагаемых на различных расстояниях от дрены, получив соответствующие значения можно далее нанести их на график зависимости IgH' от lg(l —х) и совместить его параллель­ным перемещением осей с эталонным графиком зависимости lgcosa от lga. По сдвигам осей этих графиков получим значения

Lg (Я°Л) =Ig Н' — lg cos а и lg v= — lga — lg(l—ж), после чего по величине v, пользуясь рис. 66, найдем соотношение 1/21д.

Для такой обработки можно также использовать данные о

Скоростях снижения уровней ун = дН/ді, для которых, дифферен­цируя по времени уравнение (6.3), получим выражение

#0Av2a e_V2T

Z.2

Сопоставляя (6.3) и (6.4), можно видеть, чго

VH _ ygq И ~ £2 '

Т. Є. соотношение Ун/Я должно быть постоянным во времени и в пространстве. Такое условие представляет собой важный диаг­ностический признак правильности принятого описания процесса.

При использовании данных об изменении дренажного стока по­сле полива можно исходить из выражения для удельного двусто­роннего притока <?д к дрене

ДН, Но. /с

(6.5)

■-2TAv Ђ~vH sin v.

Х=0

Обработку данных изменения дренажного стока по уравнению (6.5) также целесообразно вести, строя график зависимости \gq-p, от t, на котором опытные точки должны ложиться на прямую ли­нию, имеющую уклон it = 0,435v2a/L2 и отсекающую на оси lg<?a отрезок 1 gq° . По величине находим проводимость пласта

ТАБЛИЦА 41 Функция /(v, X )

0,6

Как видно, в рассматриваемом случае отношение напора в любой точке между дренами к дренажному расходу остается постоянным во времени. Эта закономерность тоже является диагностическим признаком для принятой схемы.

При наличии достаточно развитой сети пьезометров для опреде­ления параметров можно воспользоваться эталонной кривой, пред­ставляющей зависимость H = f(v, х), построенную в координатах IgH от lgf для различных значений v

77=-^-; / (V, --------- CosvOj^SL, (6.8)

^д v sin х

Значения функции f (v, х) представлены в табл. 41.

При v<0,5 функция f(v, х) практически не зависит от х и можно считать f (v, Jc)= 1/v2.

Наблюдаемые значения \gHlqA наносятся на график в зависи­мости от lg*, построенный в масштабе эталонной кривой. Из се­рии кривых f (v, х) выбирается та, на которую точки ложатся луч­шим образом. Таким путем сразу определяется значение v. Далее по сдвигу координатных осей определяется значение проводимости а затем уже и значение водопроводимости.

Igr=lg7/-lg~r, (6.9)

А затем уже и значение водопроводимости.

Сопротивление дренажа находится в зависимости от соотноше­ния по графику (см. рис. 66). При v < 0,3 можно считать 2LK

2L _

Ід =—При наличии только двух пьезометров на между-

V2

Дренье и у дрены (такая схема размещения скважин может рас­сматриваться как предельная) для обработки данных можно во­спользоваться следующим соотношением:

Ял cos v, (6.10)

Н»

Где Ял — превышение напора у дрены, а Ян— между дренами по 188

Сравнению с напором в дренаже. Зная это соотношение, легко найти v, а затем, используя зависимость (6.7), определить водо - проводимость

(6.11)

Далее, зная Ln в случае двухслойного пласта, можно определить коэффициент фильтрации покровных отложений с использованием зависимости (3.16).

При v<0,5 можно считать v=l/ —~— и преобразовать зави-

Г 2ьл

Симость (6.10)

2?д£д

Т—не­хорошие возможности для определения параметров дают инте­гральные характеристики: объем дренажного стока Qn и интеграл уровня Н*:

/

Q^^q. dt, (6.12)

О

T

Н,— J Hdt, (6.13)

О

Где — приток к дрене.

Рассмотрим далее спад уровня между дренами, закономерности которого определяются решением уравнения фильтрации

32# W 1 дН f(t...

TOC \o "1-3" \h \z ~дхГ + Т-^-ВГ ~дГ (6Л4)

При следующих граничных и начальных условиях:

„ дН г. L дН Н

При х~0 -д—=0; при x—-jr~ Т

Дх ' ---- 2 1 дх 2LX '

при /=0 Н— Но. (6.15)

Проинтегрировав уравнение (6.14) и граничные условия (6.15) в пределах от 0 до оо, с учетом того, что при оо Н-уО, по­лучим

(6-16)

И граничные условия

При *=0 0; при Г**—-(6.17)

Решая уравнение (6.16) при граничных условиях (6.12), получим для междудренья

Q^L^ + LW - (6.18)

+ (6.19)

Рассмотрим далее соотношение Иг

Е,=Н,/<гд. (6.20)

Как видно, отношение интеграла уровня к объему стока опреде­ляет полное сопротивление дренажа. Соответственно при наличии наблюдательной скважины над дреной можно определить интеграл напора при х = 1/2

Н, Цяо+Jj^JA. (6.21)

Тогда отношение интеграла напора Нл к объему дренажного стока Qn примет вид

(6.22)

Таким образом, имея наблюдательные скважины (одну между дренами, а другую у дрены), можно определить следующие харак­теристики:

/

_ _ (б 23)

8 (И*-Ил)

И

Ьл=тйл. (6.24)

Привлекательность этого способа определения параметров обусло­влена прежде всего тем, что при его использовании допускается произвольное изменение интенсивности питания во времени, при­чем знание этой величины, равно как и коэффициента водоотдачи, для расчетов необязательно.

Определение параметров таким способом возможно при рас­смотрении режима подъема уровня при инфильтрации, если исход­ное и конечное положение уровня близко к горизонтальному. По­грешности, которые вносятся неучетом характера начальной или ко­нечной поверхности грунтовых вод, могут быть оценены из решения для произвольной формы этой поверхности. В этом случае имеем

<?д=\У/. + н£ц, (6.25)

WL (А. + - + ц (A Hi + - A- Hk), (6.26)

(6.27)

(6.28)

Где Я0 (x) —начальная или конечная поверхность грунтовых вод. Как видно в частном случае, когда поверхность горизонтальна

(6.29)

Мы приходим к ранее полученным зависимостям (6.18) и (6.19). При использовании предпосылки горизонтальности исходной или конечной поверхности погрешность в определении параметров не будет превышать 10 % при ДЯЛ<0,1ЯЛ1. Этому условию удовлетво­ряют все случаи, когда Ln>L.

В общем случае интегралы в (6.27) и (6.28) могут быть вы­числены при известной форме поверхности грунтовых вод, получае­мой по данным режимных наблюдений. Определить параметры по формулам (6.23) и (6.24) можно также, используя весь цикл от начала подъема уровня до завершения спада. При этом не обяза­тельно использовать весь график изменения уровня, а достаточно проинтегрировать величину напора в тех временных пределах, ко­торым соответствуют равные величины напора на ветвях подъема и спада. Объем дренажного стока определяется тоже для этого периода времени.

При рассмотрении длительного периода времени Т для полу­чения искомых интегральных характеристик можно пользоваться среднемноголетним значением уровня Яср на междудреньи и у дрены и объемом стока на этот период QT. Ht в этом случае можно считать по формуле

Ht=HcpT.

Расчет параметров проводится также по формулам (6.23) и (6.24).

Для определения уровнепроводности пласта по данным просле­живания спада уровней в зоне влияния дрены в межполивной пе­риод можно использовать зависимость

(6.31)

Где Ян — выбранное произвольно на-графике прослеживания зна­чение напора, соответствующее моменту времени tlt.

По данным режимных наблюдений строится график lg—=

Ti

— f(t — tB), который в случае соответствия расчетной схемы ре­альным условиям должен быть выражен прямой линией, пересе-

Кающей начало координат. Тогда определяются уклон прямой а =

_ — —„—. и соответственно значение коэффициента уровнепро - t2 — t\

Водности

А=0,0575а (6.32)

В качестве примера решения рассматриваемой задачи приведем гидродинамический анализ работы горизонтального дренажа по данным исследований в районах нового орошения Голодной степи.

Рассмотрим схему относительно однородного строения водонос­ного пласта, которая является достаточно типичной для условий центральной и юго-западной части Голодной степи. На рис. 67 показано строение водоносного комплекса в зоне влияния дрены I-1-D-1 в совхозе 1 Голодной степи, где в 1968 г. проводились ре­жимные наблюдения. Дрены глубиной 3,5 м заложены через 250— 260 м, наблюдательные скважины установлены на расстоянии до дрены соответственно скв. 50 «1 — 20 м (х = 0,08), скв. 46 х2 = = 60 м (х = 0,5) и скв. 47 130 м (х— 1). Изменение дебита дрены во времени, а также характерные графики режима уровня грунтовых вод в июле—сентябре 1968 г. (скв. 46, 47, 50) показаны на рис. 68.

В данном примере мощность водоносного пласта (т = 12,5 м) значительно меньше междудренного расстояния (1 = 260 м); в рассматриваемый период времени проведен полив по всей зоне влияния дрены. По данным гидрогеологической разведки строение водоносного пласта здесь сравнительно однородное, включения ли - тологических разностей другого типа крайне редки. При таких условиях может быть рассмотрена схема одномерного планово-

H-Di

■J—j___

25

Рис. 68. Графики режима уровня грунтовых вод и дебита дрены

Плоского фильтрационного потока, причем одну из его границ (не­проницаемую) можно установить в плоскости, пересекающей вер­шину «инфильтрационного горба», а другую — по линии несовер­шенного дренажа. Эти предпосылки позволяют считать правомер­ным использование для решения обратной задачи аналитических расчетных зависимостей.

Учитывая некоторые неточности в замерах уровня, вычислим среднее значение соотношения H/qn. Оно составляет для между - дренья #м/?д = 8,53 (скв. 50) и Hnjqд = 6,29 (скв. 47). Опреде­лим v == 0,7 по формуле (6.10), имея в виду, что cos v = 0,73. Да­лее путем интерполяции с использованием рис. 66 найдем L/2La = = 0,65. Таким образом, 1Д = 200 м. По формуле (6.10) определим водоп ров од и м ость

260

8,53 - 0,75 . 0,68

Среднее снижение уровня за 50 сут составило примерно 1,4 м. Ис­пользуя данные об объеме дренажного стока за этот период, рав­ного 4,6 м2, определим коэффициент водоотдачи по формуле (6.1)

__ 4,6___

1,4-260
и интенсивность инфильтрации по формуле (6.2), имея в виду, что подъем уровня составил в среднем те же 1,4 м, а длительность полива і и — 5 сут

1,4 • 0,013 о с о, w——--у =3,6- Ю-з м/сут.

Проведем обработку этих данных методом интегральных характе­ристик. Значения этих характеристик, подсчитанных по формулам (6.12) и (6.13), следующие: QB=4,6 м2, Н* = 18 сут-м, Ял— = 15,6 сут. м. Им соответствуют значения Иг — 3,9 сут/м и Ил = — 3,4 сут/м.

По формулам (6.23) и (6.24) определим водопроводимость

MZ-w^66 м2/сут

И сопротивление

/ __ 260 • 3,4 ____

£д~Т"(ЗХ-З74) 221 м-

Полученные результаты вполне сопоставимы с определенным ранее другим способом.

Для оценки коэффициента уровнепроводимости по зависимости

(6.32) используют также график прослеживания lg—=

= f(t—/н) по скв. 46 и 50 (рис. 69, а). Значения а получены 2600 и 2700 м3/еут, что при Т = 60 м2/сут соответствует величине р, по­рядка 0,02.

Нередко возникает необходимость в достаточно массовом иссле­довании гидродинамического несовершенства дрен различных кон­струкций, технологии строительства в разнообразных водовмещаю - щих породах, т. е. проведения своего рода гидродинамической съемки дренажа. Для решения этой задачи целесообразнее всего воспользоваться эпизодическим замером положения уровней и де­бита дрены в период квазистационарного режима сработки уров­ней. В этот период (?кв>0,02-^- который наступает сравни­тельно быстро после окончания полива (обычно не более, чем через 5—10 сут), положение уровней приближенно описывается выра­жением [25J

H^^-(L-x) + -±-Lx (6.33)

_ 2/<д

Где X ~ - J-- и £д — —

(^гЙг -3.4 .10-3 сут-1 ); 2 — СКВ. 50 -3.2 • 10-2 сут-.)

Построенный по данным эпизодического замера график Н — = f jjt^l должен быть выражен прямой, отсекающей на

Осях Н и х{} 2~) отрезки Сі — и С2 — —2ГЯ. Из этих

Соотношений легко найти Т и £д. Следует отметить, что при срав­нительно однородном строении водоносного пласта часто сущест­венным оказывается фильтрационное сопротивление закрытых дрен по характеру вскрытия пласта, т. е. сопротивление собст­венно фильтра дрены. В этом случае можно считать, что Ьл = ==1ф+1нд и, подсчитав значение 1ВД [38], можно установить величину £ф. При двухслойном строении пласта, когда дрена за­ложена в покровном слабопроницаемом слое, чаще всего особенно для открытых дрен. Определив в этом случае по данным гидродинамической съемки величину Х, д»£нд, можно также найти

, „ _n Т. 8тя значение &п«0,73~-—lg'—

L д па

Рассмотрим этот способ определения параметров на примере гидродинамических исследований, проведенных в Голодной степи (табл. 42) по дрене, заложенной в сравнительно однородном пла­сте при тд = 22 м. Дебит дрены в момент замера q — 0,55 м3/сут.

>0-4)"

Построенным по

Этим данным (рис. 69, б), найдем значения С г — —0,14, Сі

Данные единовременного замера напоров в зоне влияния горизонтальной дрены

= 0,49 м и соответственно Т — 30 м2/сут и 1Д= 28 м. При этом величина Анд составляет Інд = 0,73m„lg-23L = 20 м, а і.=

Jta

= — іНд = 8 м, т. е. сопротивлением фильтра дрены опреде­ляется примерно 30 % общей эквивалентной длины £д.

При двухпластовом строении водоносного комплекса определе­ние гидродинамических параметров представляется более слож­ным, для чего необходима постановка специальных режимных наб­людений в соответствии со схемой, показанной на рис. 65, в. При этом по данным наблюдений в пьезометрах с фильтром в обоих пластах могут быть определены значения Т — Т\ + Т2 и L^ описан­ными выше способами (как для однопластовой системы).

Величины Ті и Т2 можно найти, зная соотношения напоров в се­редине междудренья

Ti — T T2=T-Ti; (6.34)

Hl ~ HL

Где Hz — значение напора в скважине_с фильтром в двух пластах.

Для определения значений L'A и Ь можно использовать зави­симость (3.53) и следующее выражение для разницы напоров в се­редине междудренья

Ф(б). (б-35)

Где

1І2--ТСІГ5-; 6=°'5L V-^-rk - (6-36)

Для анализа фильтрационной неоднородности покровных отло­жений наибольший интерес представляют данные замеров напо­ров потока вблизи дрены. Ряд специалистов рекомендуют прово­дить такой анализ, строя гидродинамические сетки потока вблизи дрены [5]. Однако такой путь требует чрезвычайно подробной ин­формации о распределении напоров. Поэтому более эффективным является другой путь, основанный на предварительной схематиза­ции строения покровных отложений с последующим определением
параметров такой схемы. Например, при наличии слабопроницае­мого слоя в основании покровных отложений (см. рис. 47, б) для расчетов может быть использовано уравнение (3.50а). При этом наиболее удобным являются данные замеренных значений напоров под экранирующим слоем (Ял) и в нескольких сечениях в верх­нем слое (#==#! при Л - = Л'ь Я = Я2 при X — х2 и т. д.). Для об­работки таких данных прологарифмируем уравнение (3.50а)

Н.

Ял-Я

Опытные данные наносятся на график в координатах lg(#n — Н) и х> проводя через опытные точки прямую линию, най-

2 2 ц „_____ fу о

Дем значения lg(#jx — Н° ) при 1 = 0 и bn = ——lg—д ггл— ■

Л х Н л — Я

Где величины Них берутся для любой точки на проведенной прямой.

Если же замерены только напор в подстилающем пласте Ял и напор Я в одном сечении х верхнего слоя, то уравнение (3.50а) с учетом (3.51) записывается в виде

E-V

I + 2 bnLHX

Откуда подбором находится значение bn при рассчитываемом со­гласно (3.3) значении L0 .

Пример расчета. Пьезометрические наблюдения проводились вблизи гори­зонтальной дрены, заложенной на Каиидинском опытном участке (рис. 70, а). Породы под дреной существенно неоднородны по проницаемости, причем выде­ляется более проницаемый слой мощностью тп =3,5 м, подстилаемый менее

Проницаемым слоем мощностью m'n= 2 м.

Из пьезометрических данных видно, что сопротивление иа несовершенство дрены в верхнем слое незначительно и здесь можно считать Н°я =0. Расчеты проведем по уравнению (6.37) на два момента времени —24.V и 31.VIII при значениях Ял=35,08—34,33 = 0,75 м и Ял = 34,79—34,38=0,42 м (табл. 43).

Поскольку здесь известно значение Яд, то нанесем эти данные на график зависимости In [#а/(Ял—Щ] от х (рис. 70, б). Как видно, расчетные точки на этом графике достаточно хорошо укладываются на прямую линию, по уклону которой найдем 6„-=0,032 м-1. По этому значению находим соотношение ко­эффициентов фильтрации слоев k^/k'n — m'um'^b2n =3,5-2-0,0322=0,007. Если по данным полевого опробования принять k'a ==4,5 м/сут [5], то для слабопро­ницаемого слоя к"а =0,032 м/сут, что значительно меньше значения, получен­ного здесь И. К. Дуюновым расчетами по сетке движения (~0,15 м/сут).