ГИДРО­ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ НА ОРОШАЕМЫХ ТЕРРИТОРИЯХ

Структура моделей

В геофильтрационных расчетах на орошаемых территориях ос­новными структурными типами потоков являются плановые потоки или системы плановых потоков, соединенных по схеме перетека­ния. Моделирование таких потоков производится на сплошных, сеточных и комбинированных моделях, а также на ЭЦВМ, которые в последнее время получают все большее распространение для геофильтрационных расчетов. Контуры внешних и внутренних гра­ниц модели определяются гидродинамическими границами, обо­снованными при геофильтрационной схематизации (при этом спе­циального обоснования требует задание граничных условий при использовании принципа суперпозиции [17]).

При разбивке сеточных моделей следует исходить из общих по­ложений дискретизации поля, изложенных, например, в работе [17]. На практике рекомендуется в пределах каждой области с раз­личными параметрами по любому ее сечению иметь не менее двух - трех блоков. Кроме того, вблизи зоны возмущения потока нужно иметь не менее трех-четырех блоков в пределах минимальной об­ласти влияния, для чего шаг сетки а вблизи области возмущения

Должен удовлетворять неравенству ее (1-И,5) д/а^ііп, где кпіп—минимальное расчетное время протекания исследуемого про­цесса.

При дискретизации поля потока наибольшее распространение имеют прямолинейные ортогональные сетки. Представляет интерес также использование криволинейных ортогональных и нерегуляр­ных треугольных сеток [17], позволяющих наиболее гибко приспо­собить модель к особенностям моделируемого потока.

При моделировании отдельных горизонтальных дрен учет их гидродинамического несовершенства осуществляется подключением дополнительных сопротивлений, на которых реализуется условие (3.9). На сеточных моделях при реализации этого условия пред­полагается, что средний уровень в блоке соответствует уровню на линии дренажа Ял - Построение моделей по такому принципу по­дробно описано в работе [17].

Структура моделей

При реализации на сеточной модели густой сети горизонталь­ного дренажа, когда в пределах одного блока располагается не­сколько дрен, правильнее считать расчетный напор в блоке соот­ветствующим среднему напору между дренами. В этом случае в блок с дренами вводится дополнительное сопротивление ФДр, на конце которого задается напор воды в дрене Яд. Исходя из того, что в блоке установился средний уровень на междудреньи, вели­чина Фдр определяется по формуле

(3.21)

Где Z-др — общая протяженность линейных дрен в пределах блока; L — расстояние между дренами; £д— параметр сопротивления, обусловленного несовершенством дрены.

Для региональных оценок баланса подземных вод в блоке с дренами можно задавать средний напор в пласте Я*, считая его по выражению Я* = 7з(2ЯсЧ-Яд), где Н°—напор посередине между дренами. Этот способ целесообразно применять, в частно­сти, при многопластовом строении водоносного комплекса для определения на модели внешнего притока, поступающего к дре­нажу из нижележащих напорных пластов.

При геофильтрационном моделировании водозаборов и дрена­жей в слоистых системах, характерных для предгорных и межгор­ных отложений, целесообразно сочетать профильные и плановые модели, используя для этого следующие пути решения.

В первую очередь рассматриваются профильные задачи для ленты тока, выделяемой по генеральному направлению потока, со-

А

В

Структура моделей

О

Б

Структура моделей

"/чЧЧЧЧЧЧ

Структура моделей

Г н'-н'9 Н^Н;

Структура моделей

ЕЗ/ ПЗг CZUj

Рис, 40, Схемы, иллюстрирующие переход к профильному потоку при моделиро­вании водоотбора на участке конусов выноса.

Й —план поверхности участка; б —профиль поверхности земли по сеченню 1-І; в — система фильтрационных сопротивлений дрен и водотоков (рек) по сечению 1-І; г — сопротивления водотоков и задание суммарного расхода водозаборных скважин по сеченню ІЗ— II; 1 — зона выклинивания потока в систематический горизонтальный дренаж; 2 — водотоки; 3 — водозаборные скважины; 4 — боковые границы потока, проводимые по лнииям тока между водозаборными участками в соседних конусах выноса

Впадающему обычно с направлением падения поверхности земли. Такая расчетная лента может иметь переменную ширину, занимая всю межгорную долину или ограничиваясь в предгорных отложе­ниях одним или несколькими слившимися конусами выноса. При этом в каждом сечении фильтрационные сопротивления и емкости находятся применительно к средней ширине потока, задаваемые значения расхода потока (инфильтрации, выклинивания, водоот­бора) суммируются, а фйльтрационные сопротивления водотоков и дрен на поверхности земли складываются по правилам сложе­ния параллельных сопротивлений. При наличии нескольких (п) та­ких сопротивлений Ф®. (рис. 40) суммарное сопротивление Ф°

П

Структура моделей

(3.22)

Структура моделей

Причем, если значения Ф° зависят от изменения напора, то для со­противления Ф° эта зависимость также должна устанавливаться согласно (3.22). Расчетный напор Н° на конце сопротивления Ф° будет

(3.22а)

Определяется из соотношения
где Щ — напоры, задаваемые на концах сопротивлений Ф° (в во­дотоках и дренах). Расположение водозаборных и дренажных скважин представляется в форме рядов или площадок, распреде­ляемых по всей ширине N с расчетной ленты тока.

Получив на такой модели напор в скважинных блоках, следует далее переходить к напору в скважине Яс по соотношению (3.2) при Ял, равном напору в блоке, и расчетном расстоянии между скважинами a — Ncjnc, где пс — число скважин в данном ряду. Для площадных систем такой переход проводится по соотноше­нию (3.17).

На таких моделях получают в первом приближении решение серии прогнозных и разведочных задач, по данным которого тща­тельно анализируется структура баланса потока и выявляется роль каждого из пластов в формировании потока. Если при этом оказывается, что нижние пласты несут небольшой расход потока, то их можно исключить из расчетной схемы.

Следующий этап решения таких задач осуществляется на пла­новой модели, на которой проводимость и емкость принимаются суммарными для всех пластов. Сопротивления поверхностных водо­токов и дрен задаются из условия, чтобы общее вертикальное со­противление профильного потока между поверхностными водото­ками (дренами) и водозаборами соответствовало сопротивлению Ф° , задаваемому по водотокам на поверхности планового потока.

Сопротивление Ф« профильной л-слойной модели (рис. 41, а) на­ходится при стационарном режиме с заданием на поверхности по­тока напора Я0, через сопротивления водотоков (дрен), при этом

П

Структура моделей

На линии водозаборов задаются совершенные дрены с одинако­выми напорами Н'0= Н"0 = ... — Я0 (на электрической модели на­порам Но и Я0 соответствуют относительные потенциалы П = 1 и 0 = 0) и дополнительными сопротивлениями Ф°. = 0. В соответ­ствии с ранее обоснованными рекомендациями [17] шаг сетки за­дается с соблюдением условия Ах ^ 0,45 (с допускаемой погреш­ностью 5%), причем для трехпластовой системы можно считать

Структура моделей

Общее сопротивление такой л-слойной модели Ф° находится по­сле замеров напоров (потенциалов) в узлах первого столбца (бли­жайших к водозаборным узлам) из соотношения

(3.23)

Где AC/^(AC/q5, АС/'о, , ...) —значение разницы относительных по­тенциалов между узловыми точками нулевого и первого столбцов на каждой г'-й строчке. После этого на линейной модели планового

Н,

А

Потока при Ф0 = 0 (см. рис. 41, б) подбираются значения Фсп так,

Чтобы на первом сопротивлении (Фі) получилась разница относи­тельных потенциалов А£70і = Фі/Ф°

Если значения напоров задаются на поверхности земли по всей длине потока, то при использовании принципа суперпозиции сле­дует под Я понимать изменения напора по отношению к уровням естественного потока. Тогда Я° — 0 и величина Ф° может быть

І п

Получена аналитически по формуле о (Ф І?™

= (3.23а)

Где Ах— шаг сетки; N— принятая ширина профильного потока.

После этого расчетные значения сопротивлений водотоков (дрен) Ф°в, задаваемые для планового потока, пересчитываются

Из исходных сопротивлений водотоков Фв по соотношению

Ф° /Фв==Ф°эт/Фп.

Следующим этапом обоснования плановой модели является расчет обобщенного дополнительного сопротивления Фо с учетом реального расположения водозабора. Для этого на профильной многослойной модели задается реальное распределение ряда водо­заборных скважин, причем для ряда скважин в i-u пласте допол­нительное сопротивление Фо, находится при Т=Ти а в пластах, где отсутствуют скважины, задается Ф0=оо. В такой постановке находится сопротивление многослойной модели Ф„ так же, как Ф° —ИЗ соотношения (3.23), после чего имеем Фо==Фп — Ф°м-

Соответственно параметр сопротивления контура скважин £кс = = TN СФ0.

При необходимости более детального анализа пространствен­ной структуры многопластового потока следует переходить к двух - пластовой модели, профильный аналог которой приведен на рис. 41,в. В этом случае в первую очередь на профильной модели получается суммарное сопротивление Ф° (при одинаковых значе­ниях напоров Щ), по которому подбирается удельное сопротивле­ние разделяющего пласта tnp/kp двухпластовой модели из условия эквивалентности суммарного сопротивления Ф°п. Если во всех уз­лах расчетные величины напоров Я° = 0, то расчетное значение параметра mp/kp определяется согласно аналитическому решению (см. прил. 1) подбором из соотношения (46).

Если водоотбор осуществляется только из нижних пластов, то при переходе к двухпластовой модели определяется также допол­нительное сопротивление водозабора Ф". Для этого при реальном

Расположении водозабора в л-пластовой системе находится сум­марное фильтрационное сопротивление Ф«, по которому рассчиты­вается Ф^==Ф„ —Ф2, где Ф2 —сопротивление водозабора, распо­лагаемого в нижнем пласте двухпластового потока, его величина определяется выражением (48) в прил. 1.

2. Переменные граничные условия

Существенные затруднения возникают при задании на емко­стных моделях переменных граничных условий, поскольку в этом случае автоматическое задание переменных граничных условий тре­бует применения довольно сложной аппаратуры. При решении ис­ходных уравнений в линеаризованной постановке (с постоянными параметрами) заметное упрощение учета переменных граничных условий достигается использованием временной суперпозиции. По этому способу для задания переменной во времени границы I рода предварительно производится моделирование с постоян­ным граничным условием при относительном потенциале на гра­нице U — 1 (100%). Получаемое при этом распределение потен­циала^ на модели представляет собой исходную единичную функ­цию U\(t). Если далее требуется получить решение для любого граничного условия, описываемого функцией f(t), то ее можно аппроксимировать ступенчатым графиком и записать решение та­кой задачи на основании принципа суперпозиции [17].

Аналогично можно произвести моделирование и для перемен­ного граничного условия II рода. В этом случае исходная единич­ная функция находится при единичном расходе потока (силе тока) на границе. Обычно условия заданного расхода потока устанавли­ваются внутри области потока, представляя собой, таким образом, внутренние источники-стоки. Особенности моделирования рассмат­риваются ниже особо.

При изменении граничных условий по контуру границы по­следний разбивается на ряд участков, в пределах которых гранич­ное условие можно считать одинаковым, после чего решение на модели и последующие расчеты производятся для каждого уча­стка в отдельности, а затем результаты этих расчетов склады­ваются.

Своеобразные сложности возникают при задании периодиче­ски меняющегося граничного условия, имеющего обычно внутриго - довую периодичность (например, при сезонных колебаниях уровней водохранилища, суточных, недельных и месячных изменениях де­бита водозаборных скважин, при поливах на орошаемых террито­риях), когда многолетние и внутригодовые изменения граничных условий имеют различный порядок во времени. В этом случае целе­сообразно расчленить периодический график граничного условия на многолетний и внутригодовой, причем последний рассчиты­вается только на один-два годовых цикла [17, 38]. Такое моделиро­вание обычно приходится проводить в два этапа—для многолет­него и внутригодового режима,—выбирая различные масштабы времени применительно к условиям многолетнего и внутригодового графиков граничных условий.

Особого обоснования требует учет периодичности работы оро­сительного канала при подпертом режиме фильтрации, для кото­рого характерно изменение рода граничного условия в период от­ключения канала (в этом случае условие III рода переходит в усло-
виє II рода), так что при этом возможность применения принципа суперпозиции исключается.

При постановке такой задачи требуется прежде всего устано­вить критерий смены рода граничного условия под каналом. Та­кой критерий четко устанавливается для экранированного русла канала, когда свободная фильтрация имеет место при расположе­нии уровня грунтовых вод ниже поверхности канала, а подпертая фильтрация — при подпирании уровнем грунтовых вод подошвы экрана. Таким образом, в этом случае смена рода условия под каналом наступает при прохождении уровня свободной поверхно­сти потока через отметку подошвы экрана.

Несколько менее определенно решается этот вопрос при отсут­ствии экрана в русле канала, поскольку в этом случае при колеба­ниях уровня под каналом переход от подпертого режима к сво­бодному и наоборот осуществляется постепенно.

При реализации таких условий фильтрации из водотока на электрической модели или на ЭЦВМ необходимо аппроксимиро­вать нелинейную зависимость q от АН какой-либо функцией, при­чем наиболее удобными являются сочетания граничных условий II рода (q = const) и III рода (Ф = const). Опорными для по­строения аппроксимирующего графика являются начальная точка, определяющая сопротивление Ф0 при исходной разнице напоров АНо, и разница напоров АЯСВ, при которой фильтрация из водо­тока может считаться свободной с допустимой погрешностью дд — = ДФ/Фсв (рис. 42). Наиболее простая форма аппроксимирую­щего графика получается путем задания условия III рода при АН > АЯсв и условия II рода при АН АЯСВ. При такой аппрокси­мации расчетное сопротивление ложа водотока Фр можно зада­вать равным осредненному зна­чению в пределах между значе­ниями, соответствующими разни­цам напоров АЯо и АЯсв, в этом случае смена условий II и III ро­да производится при разнице на­поров АЯСВ. Более обстоятельный выбор применяемого расчетного приема в таких условиях должен производиться на основании ре­зультатов тестовых расчетов.

Структура моделей

Рис. 42. Типичный график зависимо­сти сопротивления канала (водотока) Ф от разницы напоров Я в канале и водоносном пласте.

/ — действительный криволинейный график зависимости Ф от Н; 2 — Прямая, соответ­ствующая условиям свободной фильтрации; 3 — точка смены условий II и III рода

Заметим, что характер пере­хода свободной фильтрации в подпертую может существенно зависеть от неоднородности строения отложений под водото­
ком, однако характер и пути выявления такой зависимости пока остаются не определенными.

Для приближенного расчета периодичность работы канала при подпертой фильтрации можно учесть, вводя фиктивное (расчетное) значение параметра сопротивления ложа канала L* (или AL*).

Значение L* определяют путем сопоставления результатов тесто­вого моделирования для периодически действующего канала с па­раметром сопротивления LH и расчетов для постоянно действую­щего канала с параметром L* из условия практического совпаде­ния среднегодовых расходов потока, фильтрирующегося из канала.

Для обоснования такого расчетного приема были использованы данные С. Д. Каца по моделированию одномерного нестационар­ного потока в случае работы канала половину времени года при пренебрежимо малом времени промачивания зоны аэрации под ка­налом. Модельные изменения уровней под каналом АН0 с пара­метром сопротивления ложа 1н сопоставляли с расчетными значе­ниями при постоянно действующей границе III рода с параметром сопротивления L*, величина которого находилась из уравне­ния [25]

« F0 (в) = 1 - е02 erfc0; Є = (3.24)

Расчетные моменты времени в (3.24) задавались посередине периодов подъема и спада уровней, что обеспечивало равенство среднегодовых значений модельных и расчетных изменений уров­ней под каналом. Такие расчеты показали, что значения расчетных параметров оказываются практически стабильными во времени и при рассмотренной полугодовой работе канала они могут опре­деляться по аппроксимационной формуле

L* = 4,8 (LH + 0,1 уat(3.24а)

При jfi = 365 сут. Проверка таких расчетов для других сечений и при различной длине потока дала хорошее согласование модель­ных и расчетных данных, что свидетельствует о независимости та­кого расчетного приема от границ и строения потока.

При любой другой периодичности работы канала для такого расчета следует предварительно провести моделирование одно­мерного нестационарного потока в течение трех лет при длине по­тока, равной характерному расстоянию от канала до границ по­тока. После этого вычисляется среднее значение изменения уровней под каналом в пределах третьего года, которое приравнивается значению F0 (б) при t — 2,5 года.

Для решения линеаризованных уравнений нестационарной фильтрации в ряде случаев эффективным оказывается использова­ние интегрального преобразования исходной функции (напора или его изменения) по Лапласу—Карсону. Рекомендации по использо­ванию этого преобразования для геофильтрационных расчетов и моделирования приведены, например, в [17, 38].

Учет начального распределения напоров при неизменных пара­метрах пласта, когда исходные дифференциальные уравнения яв­ляются линейными, целесообразно проводить, вводя в качестве рас­четной функции вместо напора Я его изменение S относительно начального напора Я0 в каждой точке. При этом величина 5 моде­лируется при интенсивности инфильтрации, равной разности зна­чений на прогнозный период и начальный момент времени, а при неизменном инфильтрационном питании изменения напоров 5 не зависят от инфильтрационного питания, причем начальное условие для величины 5 будет нулевым [38].

В общем случае величины Но, от которых отсчитываются рас­четные изменения уровней S, могут быть переменными во времени, однако они, разумеется, долж;ны быть известны в течение всего расчетного периода времени. С этой точки зрения наилучшими яв­ляются такие условия, когда исходные уровни Но задаются при стационарном режиме. Достаточно определенными представляются исходные условия, когда уровни Я с периодически изменяются в те­чение каждого года, и такие периодические изменения могут быть продолжены на расчетный период времени, причем для задания исходных уровней обеспеченности могут быть использованы ста­тистические методы прогноза режима естественного потока.

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

Партнеры МСД

Контакты для заказов шлакоблочного оборудования:

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