книги из ГПНТБ / Климентов П.П. Динамика подземных вод учеб. для геологоразведоч. техникумов

дохранилищ и ГЭС) одновременно предусматриваются мероприя­ тия по предотвращению затопления и подтопления территорий, орошению сельскохозяйственных земель, осушению заболоченных площадей; при проектировании систем орошения рассматриваются вопросы регулирования режима подземных вод с помощью дре­ нажа.

В выполнении намеченной программы мелиоративного и гидро­ технического строительства огромная роль отводится специалистам гидрогеологам, особенно в части научного гидрогеологического обоснования проектируемых мероприятий и рационального исполь­ зования и регулирования подземных вод. При этом количественной оценке движения подземных вод и методам управления этим дви­ жением, в условиях интенсивной инженерной деятельности челове­ ка, придается первостепенное значение, поскольку выполнение от­ меченных мероприятий является залогом успешного развития оро­ шаемого земледелия.

Орошение, под которым понимается искусственное увлажнение почвы с целью повышения ее плодородия, — один из основных ви­ дов инженерных мелиораций, имеющих чрезвычайно широкие перс­ пективы развития в нашей стране. Орошение земель осуществляет­ ся в районах недостаточного1 увлажнения, где в вегетационный период (период роста и созревания сельскохозяйственных культур) ощущается недостаток влаги в почве. В силу зонального характера распределения атмосферных осадков и запасов поверхностных вод (86% ресурсов поверхностных вод формируется в северо-восточных районах страны и стекает в бассейны Северного Ледовитого и Ти­ хого океанов и лишь 14% приходится на южные и западные райо­ ны) территории, подлежащие орошению, располагаются в самых разнообразных по геологическим, геоморфологическим и гидрогео­ логическим условиям районах страны и, главным образом, в райо­ нах засушливого климата с ограниченными запасами поверхностных вод. Все это в значительной мере усложняет решение задач, связан­ ных с орошением земель.

Основным источником орошения в нашей стране являются по­ верхностные воды. За счет использования подземных вод орошает­ ся не более 3% всех орошаемых земель. При этом доля используе­ мых для орошения подземных вод не превышает 0,5% от их прог­ нозных эксплуатационных запасов [52, 68, 69].

орошение за счет местного стока и подземных вод. Ориентировочно дополнительная потребность в подземных водах на 1975 г. по отно­ шению к 1970 г. составит: для орошения — 70 лН/с, для обводнения

ных запасов подземных вод, пригодных для орошения, и проектиро­ в а н и е рациональных водозаборных сооружений составляют одну из

важнейших задач гидрогеологии вообще и в частности ее раздела — динамики подземных вод.

Предварительные исследования показывают, что уже установ­ ленные запасы подземных вод позволяют организовать орошение на площади около 6 млн. га сельскохозяйственных земель, в том числе на перспективу к 1980 г. не менее 2 млн. га [52]. При этом на некоторых орошаемых площадях отбор большого количества подземных вод, наряду с обеспечением сельскохозяйственного водопотребления, будет способствовать установлению благоприятного водно-солевого режима и мелиоративного состояния орошаемых земель.

Орошение земель заключается в искусственном увлажнении поч­ вы для поддержания в ней благоприятного режима влаги в течение всего вегетационного периода. При регулярном орошении подача и распределение воды осуществляются с помощью специальных оро­ сительных систем, состоящих из магистральных, распределитель­ ных и оросительных каналов. Непосредственное поступление влаги в почву, в зависимости от способа орошения, происходит либо пу­ тем ее впитывания через систему выводных борозд и полос (полив по бороздам, напуск по полосам), или путем инфильтрации раз­ брызгиваемой в пределах орошаемой территории воды (дождева­ ние), либо за счет подачи поды непосредственно в почвенный слой снизу из специальной системы трубчатых оросителей (подпочвен­ ное орошение). На некоторых площадях орошение осуществляется путем систематического (рисовые системы) или однократного (ли­ манное орошение) затопления орошаемых территорий водой. Для поддержания оптимальной влажности во времени орошение осуще­ ствляется периодически с соблюдением необходимых норм и сроков полива (режим орошения), устанавливаемых для отдельных участ­ ков дифференцированно в зависимости от типа почвы и выращива­ емых сельскохозяйственных культур, климатических особенностей и других факторов.

Очень существенно при этом подчеркнуть, что даже при строгом соблюдении соответствующего режима орошения неизбежно про­ исходит дополнительное питание грунтовых вод, вызывающее изме­ нение их уровня, химического состава, условий движения и разгруз­ ки. При отсутствии в районах орошения грунтовых вод происходит их постепенное формирование («ирригационные воды»), обусловли­ вающее изменение природных гидрогеологических условий. При этом источником дополнительного питания и формирования под­ земных вод являются не только оросительные воды, но и фильтра­ ционные потери из магистральных и оросительных каналов и других сооружений оросительных систем, которые нередко составляют от 25 до 50%, а на отдельных участках и больше от общего количества воды, забираемой из источника орошения. Вследствие этого в пре­ делах орошаемых территорий происходит образование характерных «бугров» подземных вод, при растекании которых отмечается посте­ пенное, но устойчивое повышение зеркала грунтовых вод, а в рай­ онах крупных магистральных и оросительных каналов происходит

их подпор. При подъеме уровня грунтовых вод до глубины, равной высоте капиллярного поднятия, начинается интенсивное их испаре­ ние, приводящее к выходу орошаемых земель из строя вследствие их вторичного засоления.

Интенсивность подъема уровня грунтовых вод становится еще более существенной в условиях слабой естественной дренирован­ ное™ орошаемых земель и нарушений режима орошения. В таких условиях при исходном положении зеркала грунтовых вод на глу­ бине до 10—-15 м орошение вызывает подъем уровня, происходящий со средней скоростью от 0,2—0,5 до 2—3 м в год. Так, например, в некоторых орошаемых районах, где грунтовые воды до введения орошения находились на глубине 10—15 м, через 10 лет и менее уровень их поднялся до глубины 3—4 м и выше и отдельные участки территории стали засоляться и заболачиваться [71].

Следует отметить также, что в настоящее время более 50% оро­ шаемых земель и около 75% земель перспективного орошения в той или иной степени засолены. Поэтому дальнейшее развитие оро­ шения немыслимо без проведения мероприятий по снижению зер­ кала подземных вод, т. е. дренажа.

Таким образом, положение зеркала подземных вод в районах орошения по существу предопределяет мелиоративное состояние земель и эффективность орошаемого земледелия. Поэтому задачи прогноза режима подземных вод на массивах существующего и проектируемого орошения и управления этим режимом являются основными, определяющими. Частными задачами при этом являют­ ся прогноз фильтрационных потерь из каналов, водоемов и водо­ хранилищ; прогноз подпора подземных вод; гидрогеологические расчеты по обоснованию строительства рациональной системы дре­ нажных сооружений; расчеты по определению водного и солевого баланса и обоснованию мероприятий по борьбе с засолением оро­ шаемых земель.

Основными чертами, характеризующими особенности движения подземных вод в районах орошения, являются следующие.

1.Многообразие как природных, так и искусственных факторов, влияющих на условия движения и режим подземных вод.

2.Существенное и нередко преобладающее влияние искусствен­

ных факторов, связанных с системой орошения (режим орошения, фильтрация воды из каналов и других инженерных сооружений, инфильтрация ирригационных вод на массивах орошения, длитель­ ность и интенсивность промывных поливов, влияние дренажных сооружений), на режим грунтовых вод, условия их питания, движе­ ния и разгрузки. Влияние это находит выражение в усилении пита­ ния грунтовых вод, формировании водных «бугров» в пределах ка­ налов и на массивах орошения, неуклонном повышении уровня с последующим развитием процессов транспирации и испарения грунтовых вод, сопровождающихся увеличением их минерализации и засолением поч;в- При этом режим подземных вод оказывается тесно связанным с работой сооружений оросительных систем.

3. Гидродинамические особенности потоков подземных вод в

пределах каждого конкретного массива орошения предопределяют­ ся его конфигурацией в плане, схемой размещения основных кана­ лов, периодичностью их заполнения, интенсивностью орошения и действием дренажных сооружений. При этом нередко имеет место пространственная и двухмерная фильтрация подземных вод.

4.Повышение зеркала грунтовых вод под орошаемым массивом при неизменных условиях орошения происходит с затухающей ско­ ростью во времени и прекращается по достижении равновесия меж­ ду приходными (орошение) и расходными (отток и испарение) элементами водного баланса.

5.Скорость и абсолютная величина подъема зеркала грунтовых вод под орошаемым массивом зависят от величины фильтрацион­

ных потерь, их интенсивности, положения начального уровня грун­ товых вод, капиллярных свойств пород зоны аэрации, величины ин­ фильтрации оросительных и промывных вод и граничных условий в пределах массива, что дает возможность их регулирования и уп­ равления путем изменения как интенсивности, так и суммарной ве­ личины поступления воды в зоны аэрации и насыщения.

6. В зависимости от характера баланса грунтовых вод имеют место проявления как установившегося (с постоянными из года в год отметками уровней и наличием лишь сезонных колебаний), так и неуетановившегося (с постоянным из года в год подъемом или спадом уровней, вызываемым неравенством приходных и расходных элементов водного баланса) режима их движения.

7. На фильтрацию воды из магистральных и других каналов существенное влияние оказывают капиллярные свойства залегаю­ щих под ними пород, степень их водонасыщенности, связь грунто­ вых вод с поверхностными и условия работы каналов.

Детальное систематическое рассмотрение вопросов динамики движения грунтовых вод в районах орошаемых массивов, гидрогео­ логических расчетов по прогнозу их режима и баланса, определе­ нию фильтрационных потерь из каналов и обоснованию условий ра­ боты дренажных сооружений, приводится в работах [7, 29, 32, 58, 60, 64, 71, 75, 106 и др.]. Интересные сведения об использовании подземных вод для орошения и эффективности работы ороситель­ ных систем содержатся в работах [19, 52, 70, 71].

ФИЛЬТРАЦИЯ ВОДЫ ИЗ КАНАЛОВ

Фильтрационные потери воды из каналов оказывают су­ щественное влияние на формирование режима грунтовых вод на массивах орошения и изменение мелиоративного состояния ороша­ емых земель. Достаточно отметить, что общая протяженность сети каналов в СССР превышает 350 тыс. км, а ежегодный забор воды из источников орошения— более 70 млрд, ж3, при этом примерно половина воды теряется на фильтрацию. Для уменьшения фильтра­ ционных потерь устраивают каналы с водонепроницаемым покры­ тием и применяют другие противофильтрационные мероприятия.

При рассмотрении фильтрации воды из каналов выделяют три стадии: 1) смачивания породы (впитывание воды в сухую поро­ ду под действием силы тяжести и капиллярных сил); 2) капилляр­ но-грунтового потока (с момента смыкания фронта просачиваю­ щейся воды с капиллярной каймой над грунтовыми водами) и 3) сплошного потока грунтовых вод (с момента подпора фильтру­ ющихся из канала вод грунтовым потоком) [70]. С точки зрения практической оценки фильтрационных потерь первые две стадии объединяют в одну, называемую стадией свободной фильтрации, когда вследствие просачивания воды из канала происходит промачивание пород зоны аэрации, в отличие от второй стадии — несво­ бодной или подпертой фильтрации, когда движение воды из кана­ ла происходит в условиях взаимодействия с естественным грунто­

канала, глубиной залегания грунтовых вод, водопроводимостью пород зоны аэрации. Для кратковременно работающих малых ка­ налов характерна первая стадия. Для большинства оросительных длительно действующих каналов характерна вторая стадия. При этом для каналов первой группы фильтрационные потери зависят от проходящего по ним расхода воды; для длительно действующих каналов потери определяются режимом грунтовых вод и почти не зависят от величины пропускаемого по ним расхода. Режим фильт­ рации вод из канала при второй стадии в общем — неустановившийся, однако со временем возможна стабилизация потока, при которой расход и уровни потока принимают предельные свои зна­ чения (расходы минимальные, уровни максимальные).

Расчеты фильтрационных потерь из каналов проводятся в зави­ симости от стадии фильтрации, положения уровня подземных вод, литологических особенностей подстилающей толщи пород и условий работы канала. Детальное освещение методов расчета фильтраци­ онных потерь из каналов приведено в следующих работах [32, 70, 71].

Ниже рассмотрены только некоторые схемы расчетов, наиболее часто применяющиеся на практике.

Расчеты свободной фильтрации (промачивание пород зоны аэрации)

Однородная толща. При получении решения учитывает­ ся неустановившийся характер движения фильтрационного потока, преобладающая вертикальная фильтрация с учетом бокового рас­ текания путем введения расчетной ширины потока B = B0+Aho, дей­ ствие капиллярных сил, однородное строение пород зоны аэрации [32]. Расчетная схема вертикально нисходящей фильтрации показа­ на на рис. 167, откуда ясны и все принятые обозначения.

Время промачивания пород под каналом t на любую глубину у, отсчитываемую от дна канала, определяется по формуле:

ц — недостаток насыщения; /гк— капиллярное давление, определя­ емое по данным, приведенным на стр. 381).

Во/ho

В

растекания

При у — т, где т — превышение дна канала над свободной по­ верхностью грунтовых вод или относительным водоупором, по фор­ муле (XII,1) определится /о — продолжительность периода насыще­

где В — расчетная ширина, которая с учетом бокового растекания определяется как B = Bo+Aho (здесь В 0— фактическая ширина ка­ нала по урезу воды, А — коэффициент бокового растекания, опре­ деляемый из решения В. В. Ведерникова по графику, изображенно­ му на рис. 168, в зависимости от крутизны заложения откоса т' и

Во

отношения — ' a — коэффициент, учитывающий неустановившийся

По

характер фильтрации через величину у, так как a = ———— .

по -ц пк

Средний в течение всей стадии насыщения расход воды из кана­ ла определяется величиной

,[ітВ

Практика и конкретные расчеты показывают, что длительность пе­ риода смачивания to, как правило, несущественна, однако фильтра­ ционные потери на насыщение могут быть значительными [32].

верхнего слоя мощностью т.\ происходит за время t\, которое опре­ деляется по формуле (XII,1) при у = т 1. Расход воды q' при насы­ щении верхнего слоя в любой момент времени t< t і можно опреде­

ho -)- trii -p hK

Полная продолжительность стадии насыщения обоих слоев t0 определится из формулы (XII,4) при у2 = т2.

Фильтрационный расход из канала q' на единицу его длины можно определять по следующим формулам:

в любой момент времени (при t > tî)

, kiВ (1 -р ссг)

(XII,5)

^ki

ß+ Т-СС2

средний за весь период насыщения

Предельные значения фильтрационного расхода можно определять

пиллярного поднятия) [7]. В качестве зависимости, наилучшим об­ разом отражающей природу свободной фильтрации, им рекоменду­ ется формула H. Н. Павловского — H. Н. Веригина в следующем виде:

'BQ'

где kB— коэффициент водопроницаемости при полной влагоемкос­ ти пород с учетом защемленного в них воздуха, определяемый по данным впитывания воды на опытных площадках. Ориентировочно

где Wп — полная влагоемкость; 1Ѵмакс—-максимальная молекуляр­ ная влагоемкость, п — объемная пористость.

Расчеты подпертой фильтрации

Расчеты фильтрации из каналов в условиях взаимодей­ ствия фильтрующегося потока из канала и грунтовых вод выпол­ няются как по формулам установившейся, так и неустановившейся фильтрации. При этом, как уже отмечалось выше, расчеты по фор­ мулам установившейся фильтрации дают предельные значения фильтрационного расхода (в процессе развития фильтрации и фор­ мирования уровня этот расход будет больше, но постепенно он ста­ билизируется и принимает свое предельное, в данном случае мини­ мальное значение) и уровней (в процессе неустановившейся фильтрации и постепенного повышения уровня грунтовых вод под­ пор потока из канала увеличивается вплоть до сформирования сво­ ей предельной установившейся поверхности). В зависимости от конкретных гидрогеологических условий решения получают для схем полуограниченных и ограниченных потоков с различными гра­ ничными условиями. Для многих природных условий при этом ис­ пользуются полученные ранее решения для условий естественных потоков и их подпора.

Так, например, расчеты установившейся фильтрации из каналов при наличии вблизи них естественных понижений или специальных дрен, могут проводиться по обычным формулам Дюпюи. Например, для схемы, изображенной на рис. 171, расход воды из канала при симметричном расположении его относительно дрен с уровнями /гд

При несимметричном расположении дрен расход воды на фильт­ рацию определяется в каждую сторону дрены отдельно по формуле Дюпюи (IV,10). Некоторые решения, приемлемые для расчетов фильтрации из каналов при установившемся и неустановившемся режиме, приведены выше при рассмотрении фильтрации из водо­

широко используются формулы А. Н. Костикова, полученные на основе анализа и обработки многочисленных материалов непосред­ ственных наблюдений за фильтрацией воды из каналов в самых разнообразных природных условиях. Установленная им эмпириче­ ская зависимость имеет вид:

* = ^ % > (XII,12)

где а — потери воды из канала в процентах от его расхода, прихо­ дящиеся на 1 км его длины (при этом расход Q выражается в м31с); А и у — коэффициенты, зависящие от состава пород, слага­ ющих борта и дно канала.

Расчеты подпора грунтовых вод в приканальной зоне. Влияние каналов, особенно крупных, как источников питания грунтовых вод и создания местного напора, может быть весьма существенным. Подпор грунтовых вод в приканальной зоне распространяется на значительные расстояния (в районах крупных каналов до несколь­ ких километров), вызывая существенные изменения режима грун­ товых вод, а при неглубоком их залегании — развитие процессов заболачивания, интенсивного испарения и вторичного засоления почв.