книги из ГПНТБ / Павлов, А. В. Искусственное оттаивание мерзлых пород теплом солнечной радиации при разработке россыпей

Т а б л и ц а 39

шим прилеганием к почве эластичной пленки БМА и поэтому меньшей шероховатостью поверхности площадки 7. Темпера­ тура поверхности на площадках, покрытых пленкой, также не­ сколько выше (табл. 40).

Устойчивое промерзание почвы под пленкой начиналось на 5 —10 дней позже, чем при открытой поверхности, — 22 сентяб-

111

Т а б л и ц а 40

Температура воздуха и температура поверхности на эксперимен­ тальных площадках 6 (эталонная), 7 (с пленкой БМА) и 8 (с пленкой В-118), °С

ря на эталонной, 27 —30 сентября на площадках, покрытых плен­ кой.

Основной причиной увеличения скорости протаивания под пленками является уменьшение потерь тепла, аккумулирован­ ного породами, в ночной период. В это время тепловой поток под пленкой В-118 положительный, на площадках 6 —7 наблю­ дается охлаждение пород.

Проведенные экспериментальные исследования в основном охватывали составляющие теплообмена поверхности пород и пленки с атмосферой. Значительный теоретический и практиче­ ский интерес представляет также изучение процессов энерго­ обмена в воздушной прослойке между поверхностью поч­ вы и пленкой. К сожалению, непосредственное измерение тепло­ вых потоков иод пленкой связано со значительными технически­ ми трудностями.

Величина составляющих теплового баланса под пленкой мо­ жет быть рассчитана на основании измерений, выполненных од­ новременно на двух площадках (с пленкой и без нее) при усло­ вии некоторой схематизации процессов лучистого обмена. Зна­ чительную сложность представляют тепловые расчеты процес­ сов протаивания пород под полиэтиленовыми и полиамидными пленками из-за большого влияния на прозрачность этих пленок в длинноволновом участке спектра влаги, конденсирующейся на ее нижней поверхности. Для примера рассмотрим тепловой баланс поверхности, покрытой полихлорвиниловой пленкой

(см. табл. 39).

Пренебрегая эффектом многократного отражения лучистых составляющих теплообмена вследствие их малости (поток радиа­ ции, отраженный от нижней поверхности пленки, в 50—60 раз меньше потока суммарной радиации), составим уравнение ба­ ланса потоков энергии для поверхности почвы под пленкой (площадка 8):

112

где Еи—длинноволновое излучение поверхности, покрытой плен­ кой, £'n= 6 RCT(in-(-273)4; (Р + У )п, (/>+ У )пп—потоки тепла на испа­ рение и турбулентный теплообмен с поверхности открытой пло­ щадки б и с поверхности пород под пленкой соответственно; Епл—длинноволновое излучение пленки; Еоп—длинноволновое излучение на площадке 6;P j— интегральная функция пропуска­

ния направленной коротковолновой радиации; PF, PF — функ­ ции пропускания диффузного коротко- и длинноволнового излу­ чения; А г, А 2— коэффициенты отражения (альбедо) открытой поверхности и покрытой пленкой (альбедо открытой поверхно­ сти и пород под пленкой приняты равными); В 2— радиацион­ ный баланс поверхности площадки 8.

Величина Р, может быть определена по формуле (Кондрать­ ев, 1956)

Pj= ехр( —/Г?jv sec О),

где К \ — коэффициент поглощения среды; w — объемная плот­ ность среды; й — зенитный угол Солнца.

Согласно данным К. Я. Кондратьева (1956), диффузное из­ лучение приравнивается к направленному при зенитном угле я^53°. Поэтому

Р р — ехп ( — 1,66Kxw).

Коэффициенты пропускания пленок в поле изотропного из­ лучения при 6‘=0° могут быть приняты на основании данных И. А. Кожянова и В. Я. Самохина (1966). В частности, для полихлорвиниловой пленки при зенитном угле 0=0° в интервале длин волн 0,4—2,8 мк Ру=0,81. В августе в районе пос. Кулар функция пропускания Pj составит 0,60 (средняя высота Солнца за светлую часть суток 21,2°). Функция пропускания диффуз­ ного коротковолнового излучения равна 0,72. Учитывая, что величины Q, glt q2, В 2, (P + L E )n, А х, А 2, Е0.п, S ’,D определяются экспериментальным путем, неизвестные (Р.+ЬЕ )^, Еа, Епп можно рассчитать на основании решения системы уравнений

Т а б л и ц а 41

Влияние пленочного покрытия на составляющие теплового баланса

подтверждают вывод К. Я. Кондратьева (1956) об определяющей роли конвекции воздуха под пленкой в формировании оранже­ рейного эффекта, следствием которого является повышение тем­ пературы поверхности пород под пленкой.

В рассмотренном примере конвективные потери тепла под пленкой уменьшаются в десятки раз по сравнению с открытой поверхностью, вследствие чего увеличивается температура по­ верхности, тепловой поток в породу и эффективное излучение. Таким образом, наличие пленочного покрытия, хорошо погло­ щающего длинноволновое излучение, не приводит к уменьшению эффективного излучения поверхности пород. Излучение под пленкой в рассмотренном примере возрастает в 1,72 раза по от­ ношению к поступающей к поверхности радиации или в 1,3 ра­ за к суммарной. В пленке происходит трансформация энергии — часть поглощенной пленкой лучистой энергии наряду с длин­ новолновым излучением расходуется конвективным путем (на испарение влаги с поверхности и теплообмен с воздухом).

Эффективность применения пленочных покрытий при оттаи­ вании суглинистых пород (рис. 23) ниже, чем при оттаивании крупноскелетных. Тепловой поток в суглинистые породы, по­ крытые пленкой, возрастает лишь на 30—40%, тогда как в круп­ носкелетные — на 60—80%. Засоление пород по описанной вы­ ше технологии не обеспечивало существенного увеличения ско­ рости оттаивания.

Оранжерейный эффект, заключающийся в повышении тем­ пературы поверхности на несколько градусов, позволяет объяс­ нить увеличение скорости протаивания пород под пленками лишь на 10—20%. В то же время наблюдаемые эффекты от при­ менения пленочных покрытий значительно превосходят рас­ считанные по градиентам температур в протаивающих породах.

114

Рис. 23. Структура теплового баланса пород при тепловой мелиорации.

а — суглинки, №=70— 94%; б — крупноскелетные породы, №=13%, в — то же, №=23 %.

1 — отраженная радиация; г — эффективное излучение; 3 — турбулентный теплооб­ мен и затрата тепла на испарение; 4 — тепловой ноток в породу.

8*

Из этого можно сделать вывод о существенном различии коэф­ фициентов теплопроводности пород — при открытой поверхно­ сти грунта происходит иссушение поверхностного слоя и, сле­ довательно, снижение его теплопроводности. В породах, покры­ тых пленкой, такое явление наблюдается в значительно меньшей мере. Лишь влиянием массообменных процессов в протаиваю­ щих породах можно объяснить аномально большое увеличение

В 1969 г. ^с 20 июня до конца сентября) проводились тепло­ балансовые наблюдения на участках послойной разработки су­ глинистых пород (площадки 18, 19 и 20). Начальная влажность суглинков составляла 50% (wn=0,55 г/см3). Коэффициент теп­ лопроводности пород в талом состоянии на площадке 18 был ра­ вен 0,78 и на площадках 19, 20—1,20 ккал/м-ч-град. Ширина вскрываемой полосы 60—100 м. Кратчайшее расстояние точки установки измерительных приборов от границы участка по на­ правлению ветра составляло: на площадке 18—50 м, 19—200 и 20 -100 м.

Метеорологические условия в период наблюдений резко из­ менялись. Так, после обнажения пород на площадке 18 (20/VI) в течение 17 суток средняя суточная температура воздуха изме­ нялась от 1,4 до 20,5°, абсолютная влажность воздуха — от 6,7 до 15,9 мб, средний суточный поток суммарной радиации — от 0,074 до 0,498 кал/см2-мин. После обнажения пород на площад­ ках 19 и 20 (21/VII) в течение 17 суток погода была более устой­ чивой (табл. 42, 43).

Если на площадках с пленочными покровами частота акти­ нометрических наблюдений составляла 6 —8 раз, то на участках послойной разработки она увеличивалась до 15 раз в сутки. В ясную погоду проводили повторные наблюдения по актино­ метрическим приборам. Температура поверхности измерялась ртутными напочвенными термометрами, а глубина протаивания— щупом один раз в 5 дней. За истинное значение Еа принимали величину

Ea=0,95o(ta+273)*+S+R -<?с- (III.14)

Среднее квадратичное отклонение средних суточных вели­ чин Еа, рассчитанных по формуле Ангстрема с поправочными множителями Вольца и Фалькенберга (Кондратьев, 1956) по сравнению с формулой (III.14), составило 6,1% по результатам измерений на площадке 18 и 9,5% на площадке 20. Предельное

116

Т а б л и ц а 42

Метеорологические условия в период наблюдений на площадке 18

Метеорологические условия в период наблюдений на площадках 19—20

где Е0— излучение серой поверхности при температуре 0°С; t0— температура оттаивания пород (7о=0°С); ео — упругость

Целесообразность использования параметра П тдля харак­ теристики метеорологических условий будет обоснована в гла­ ве IV.

Материалы наблюдений за составляющими теплового балан­ са приведены в табл. 44—46. Они хорошо подтверждают общие закономерности изменения составляющих теплового баланса в зависимости от времени после обнажения, впервые выявлен­ ные И. Т. Рейнюком (1958) и В. Т. Балобаевым (1963).

На площадках 19 и 20 турбулентный поток тепла за весь пе­ риод наблюдений был направлен к поверхности пород. Резкое снижение температуры воздуха с 1 по 4 августа привело к изме­ нению направления потока. Конденсация влаги на поверхности пород отмечалась в течение нескольких часов после обнажения

Таблица 44

Составляющие теплового баланса на площадке послойной разработки 18, кал/см2 мин

118