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

Прогноз подпора грунтовых вод в приканальной зоне должен выяснить местоположение участков возможного подтопления терри­ тории и вторичного засоления почв с тем, чтобы наметить и прове­ сти необходимые защитные мероприятия. Для этой цели расчеты подпора выполняются по формулам установившейся фильтрации. Для выявления очередности проведения защитных мероприятий и получения представлений о развитии подпора во времени расчеты выполняются по формулам неустановившейся фильтрации. При этом в большинстве случаев возможно использование решений, по­ лученных для прогноза подпора в районах создания водохранилищ. Учитывая, как правило, незначительную глубину каналов и дрен в проходимых районах орошения, при расчетах подпора и фильтра­ ционных потерь необходимо вводить дополнительные сопротивле­ ния, обусловленные строением их ложа и их несовершенством. Кро­ ме того, на отдельных площадях приходится учитывать процессы испарения и дополнительного инфильтрационного питания грунто­ вых вод через зону аэрации.

Детально вопросы расчетов фильтрации и подпора в районах каналов и на массивах орошения освещены в приведенных работах [32, 70, 71].

ВОДНЫЙ И СОЛЕВОЙ БАЛАНС ОРОШАЕМЫХ ТЕРРИТОРИЙ

Водный баланс орошаемых территорий, как один из ре­ шающих факторов, предопределяет формирование режима грунто­ вых вод и мелиоративное состояние почв на массиве орошения. Изу­ чение элементов водного баланса дает возможность установить ос­ новные закономерности режима грунтовых вод на массиве ороше­ ния и наметить наиболее рациональные способы управления этим режимом.

Под балансом грунтовых вод понимается соотношение между поступлением (приходная часть) и расходованием (расходная часть) грунтовых вод в количественном выражении (в мм или м3/га) на том или ином орошаемом земельном участке за опреде­ ленный период. Водный баланс определяется влиянием естествен­ ных (климат, осадки, испарение, транспирация, конденсация, под­ земный и поверхностный сток) и искусственных (орошение, потери из каналов, дренаж, агромелиоративные мероприятия) факторов, которые в каждом конкретном случае проявляются дифференциро­ ванно.

Изучение баланса грунтовых вод осуществляется двумя метода­ ми: экспериментальным, когда каждый элемент водного баланса определяется непосредственным измерением, и аналитическим, ког­ да элементы баланса определяются на основе уравнений динамики подземных вод (в том числе конечно-разностных). В орошаемых районах применяется в основном первый метод, для чего на типич­ ных по гидрогеологическим условиям балансовых участках опреде­ ляются элементы водного баланса, которые переносят затем с соот-

ветствующими коррективами на орошаемый массив в целом или на аналогичные орошаемые территории. В последнее время для состав­ ления водного баланса начинают все в более широких масштабах привлекаться гидродинамические методы, основанные на анализе режимных наблюдений и определении соответствующих парамет­ ров и элементов баланса по формулам динамики подземных вод

(29, 32].

Обычно изучают в комплексе общий водный баланс орошаемой территории, баланс влаги в зоне аэрации и баланс грунтовых вод. Общее уравнение водного баланса в пределах орошаемой террито­ рии за время Аt может быть записано в следующем виде:

вод за счет поливов и промывок и отвод их коллекторно-дренажной сетью за пределы балансовой площади); D\ и D2— возможное из­ менение запасов воды на поверхности и в зоне аэрации.

Уравнение (XII,13) может быть существенным образом упроще­ но, тем более, что раздельное определение каждого из элементов водного баланса вызывает значительные затруднения. Принимая в

уравнении (XII,13) 0 + К — И + A i ~h A z ± D I ± D 2= W , где W —

интенсивность питания грунтовых вод через зону аэрации, выражае­ мая слоем воды в единицу времени (м/сут) и определяемая совокуп­ ным влиянием и соотношением входящих в это выражения элемен-

Величина интенсивности инфильтрационного питания W опре­ деляется по уравнениям в конечных разностях на основе данных режимных наблюдений (см. гл. VI, стр. 194); поливной сток W0 уста­ навливается исходя из режима орошения и определяется по данным расходования воды на массиве орошения (поливы, промывки,

фильтрация из каналов). Уравнение (XII,14) аналогично уравнению (ѴІІ,31), полученному для расчета годового баланса конечно-раз­ ностным методом. Методика применения уравнений в конечных разностях к определению интенсивности инфильтрационного пита­ ния и к анализу годового водного баланса участка приведены в гл. VI.

Решение уравнения водного баланса позволяет установить ос­ новные, определяющие элементы водного баланса и соответствую­ щим образом наметить комплекс мелиоративных и других меро­ приятий для изменения баланса и соответственно режима грунто­ вых вод в необходимом направлении.

В районах орошения основными приходными элементами водно­ го баланса являются поступление воды за счет орошения, промывок и фильтрационных потерь из каналов, а также инфильтрация ат­ мосферных осадков в период снеготаяния и половодий; расходны­ ми— испарение, транспирация и подземный отток. При превышении приходных статей баланса над расходными (что чаще всего и име­ ет место) происходит подъем зеркала грунтовых вод с последую­ щей интенсификацией процессов испарения, транспирации и засоле­ ния грунтовых вод и пород зоны аэрации (главным образом, поч­ венного слоя).

Регулирование водного баланса орошаемой территории, как это видно из уравнений (XII,13 и XII,14), осуществляется обычно путем возможного сокращения его приходных статей (оптимизация режи­ ма орошения, сокращение фильтрационных потерь, агромелиора­ тивные мероприятия) и увеличения расходной части (улучшение условий оттока подземных вод с помощью дренажей, улавливание и регулирование поверхностного стока).

Условия поступления и расходования грунтовых вод и их оттока в пределах орошаемой территории предопределяют и процессы на­ копления солей в подземных водах и породах зоны аэрации. Зная элементы водного баланса, можно составлять и солевой баланс (соотношение между поступлением и расходованием солей на оп­ ределенном участке за определенный период, в т/га). Изучение его особенно необходимо на площадях слабой дренированности и про­ водится обычно в комплексе с экспериментальным определением водного баланса на типовых участках. При изучении солевого ба­ ланса устанавливается общее содержание солей, количество хлори­ дов и токсичных солей: NaCl, Na2S 0 4, M gS04, MgCl2 и др. Солевой баланс целесообразно составлять общий для орошаемой террито­ рии, для пород зоны аэрации, для грунтовых вод, для балансового слоя (например, мощностью 5—10 м) отдельно для вегетационного и невегетационного периодов.

При составлении солевого баланса учитывается поступление солей в пределы балансового участка с поверхностным и подзем­ ным притоком, с оросительной водой, атмосферными осадками, при­ носимыми ветром и вносимыми с удобрениями. В качестве расход­ ных статей учитывают вынос солей поверхностным и подземным

стоком и отвод с дренажными водами (другие статьи — несущест­

венны) .

При изучении солевого баланса определение статей водного ба­ ланса сопровождается регулярными наблюдениями за минерализа­ цией оросительных, дренажных и грунтовых вод, за содержанием солей в почве и породах зоны аэрации.

Наиболее неблагоприятно солевой баланс складывается на пло­ щадях низкой дренированности, особенно при повышенной минера­ лизации оросительных вод. Даже при минерализации 0,5 г/л и по­ даче воды в среднем 10 тыс. м3/га за год поступление солей с оро­ сительной водой составляет 5 т/га, без учета других источников соленакопления.

Знание солевого баланса позволяет разрабатывать меры по пре­ дупреждению засоления вновь орошаемых земель и улучшению ме­ лиоративного состояния уже засоленных или частично засоленных почв.

ПРОГНОЗ РЕЖИМА ГРУНТОВЫХ вод

НА МАССИВАХ ОРОШЕНИЯ

Режим грунтовых вод на массивах орошения формирует­ ся под влиянием нескольких разнообразных природных и искусст­ венных факторов. О характере влияния отдельных факторов уже го­ ворилось в предыдущих разделах настоящей главы.

В зависимости от условий питания и дренирования массива оро­ шения, режима и особенностей работы системы орошения и влия­ ния других факторов, происходит постепенное изменение уровней, расходов, химического состава грунтовых вод. Прогноз этих изме­ нений является важнейшим элементом проектирования систем оро­ шения и рациональной организации работы уже действующих оро­ сительных систем, основой для проектирования дренажных соору­ жений и проведения других агромелиоративных мероприятий.

Различают прогнозы режима уровня грунтовых вод (кратко­ срочные— до одного года и долгосрочные) и прогнозы режима хи­ мического состава. Прогнозы режима уровня в разной мере необхо­ димы для всех типов гидрогеологических условий орошаемых зе­ мель, особенно там, где есть основания к существенному изменению режима грунтовых вод при орошении. При этом следует различать локальные (прогнозы уровня на небольших площадях в зоне влия­ ния магистральных и оросительных каналов и дрен) и региональ­ ные прогнозы (выполняются для крупных территорий с целью оп­ ределения влияния на подземные воды в целом оросительных систем, оценки перспектив и планирования орошения). Прогнозы химического состава выполняются для районов возможного форми­ рования минерализованных грунтовых вод.

Прогнозы режима грунтовых вод в настоящее время осущест­ вляются следующими методами.

Водно-балансовый метод. С помощью этого метода определяют изменение запасов грунтовых вод в пределах балансового района

при определенных разными методами и частично заданных элемен­ тах водного баланса. При известных фильтрационных свойствах по­ род рассчитывают среднюю величину и скорость изменения уровня грунтовых вод. Элементы водного баланса устанавливают предва­ рительно на опытных участках путем выявления зависимости:

1)инфильтрации осадков, оросительных и фильтрационных вод из каналов, от глубины залегания зеркала грунтовых вод, характе­ ра пород зоны аэрации и метеорологических условий;

2)расхода грунтовых вод на испарение и транспирацию различ­ ными культурами — от тех же факторов;

3)подземного притока (включая подпитывание напорными во­ дами) и оттока от глубины залегания зеркала грунтовых вод и из­ менений ее во времени;

4)дренажного стока от водоподачи, метеорологических факто­ ров и глубины залегания грунтовых вод.

Водно-балансовый метод прогноза, хотя и считается основным,

является довольно приближенным и на некоторых площадях не может обеспечить надежное обоснование инженерных мелиораций. Как уже отмечалось, из уравнения водного баланса получают сред­ ние значения понижения или повышения уровня грунтовых вод для орошаемых массивов. Этих сведений недостаточно для обоснования и проектирования систем орошения и осушения. И, наконец, общим недостатком водно-балансового метода является необходимость оп­ ределять величину изменения уровня как разность между приход­ ными и расходными элементами баланса, которые по своим значе­ ниям могут быть весьма существенными, что иногда неблагоприятно отражается на точности прогноза. Кроме того, точное установление отдельных элементов водного баланса весьма затруднительно.

Аналитические методы основаны на прогнозе режима грунтовых вод с помощью аналитических решений дифференциальных урав­ нений неустановившегося движения. Эти методы позволяют устано­ вить изменение уровня и других характеристик потока в любой точке орошаемой территории. При этом отпадает необходимость в раздельном определении отдельных элементов водного баланса, так как они находят отражение в модуле питания грунтовых вод, кото­ рый определяется по данным натурных наблюдений.

Для использования аналитических методов необходимо знание природных гидрогеологических условий и некоторых гидродинами­ ческих характеристик потоков (водоотдача, пористость, недостаток насыщения, водопроводимость, уровнепроводность, модуль пита­ ния), на основе чего может быть составлен прогноз поведения уров­ ней, расходов потока и влажности почв на различных участках орошаемых территорий во времени. В последнее время получено значительное количество аналитических решений [29, 32,70,71 идр.], в основном для несложных гидрогеологических условий.

На орошаемых территориях и вблизи них, в зависимости от гра­ ничных условий и размеров потока, имеют место неограниченные, полуограниченные и ограниченные (с двух и более сторон) грунто­ вые потоки. Основные дифференциальные уравнения и некоторые

их характерные решения для указанных схем приведены в гл. VII. Эти решения могут применяться для прогноза режима подземных вод в соответствующих гидрогеологических условиях.

Метод конечных разностей позволяет давать прогноз режима грунтовых вод на основе численного решения дифференциальных уравнений фильтрации с учетом влияния разнообразных факторов (инфильтрация, испарение, неоднородность) в сложных гидрогеоло­ гических условиях. Недостатком этого метода является необходи­ мость выполнения большого объема вычислений, в связи с чем при составлении прогнозов данным методом следует широко использо­ вать средства вычислительной техники, в том числе и ЭВМ. Приме­ ры использования метода конечных разностей для прогноза режима уровня подземных вод приведены в гл. VI. Подробное изложение методики прогноза режима грунтовых вод с помощью метода ко­ нечных разностей дается в работах [22, 55, 58, 64, 67 и др.].

Методы математической статистики сводятся к установлению коррелятивных или функциональных связей между измене­ ниями уровня подземных вод АЯ, а также влажности почвы А W и основными определяющими их факторами. В качестве таких факто­ ров принимают расстояние от участка до границ пласта, величину повышения или понижения уровня на этих границах, атмосферные осадки, поливные и оросительные нормы, дренажный сток и др. Установив такие связи и зависимости, можно, используя их, давать прогноз режима грунтовых вод. Методы математической статистики применимы, главным образом, для районов действующей мелиора­ ции, где имеются данные натурных наблюдений за изменением уров­ ня, влажности почв, потерями на фильтрацию, дренажным стоком и другими показателями. Из-за большой трудоемкости расчеты сле­ дует проводить с применением средств вычислительной техники.

Метод гидрогеологических аналогов весьма приближенный и ос­ нован на прогнозе режима грунтовых вод массивов нового ороше­ ния по аналогии с режимом староорошаемых районов, сходных с вновь осваиваемыми по гидрогеологомелиоративным условиям.

Метод гидрогеологического моделирования. Для прогноза режи­ ма грунтовых вод методом моделирования необходимо знание при­ родных гидрогеологических условий орошаемого массива, распре­ деления основных характеристик потока и условий работы соору­ жений. Создавая модель, подобную в фильтрационном отношении натуре и воспроизводя на ней работу проектируемых мелиоратив­ ных сооружений в определенных масштабных соотношениях, полу­ чают прогнозное положение уровней и их изменения во времени.

Методы прогноза изменений химического состава подземных вод отличаются большой сложностью и слабой разработанностью. На практике пока находят применение в основном экспериментальные и аналитические методы прогноза. Экспериментальные методы за­ ключаются в изучении водно-солевого режима и основанных на нем прогнозных решениях. Аналитические — основаны на использовании решений дифференциальных уравнений тепломассопереноса [29].

Г Л А В А XIII

МОДЕЛИРОВАНИЕ ФИЛЬТРАЦИИ ПОДЗЕМНЫХ ВОД

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ и ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ. ВИДЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ И ЕГО ЗАДАЧИ

Под гидрогеологическим моделированием понимается ис­ кусственное воспроизведение на различных моделях процессов фильтрации подземных вод и условий работы инженерных соору­ жений, аналогичных наблюдаемым и изучаемым в природе.

Моделирование фильтрации подземных вод в настоящее вре­ мя — один из наиболее перспективных и эффективных методов изу­ чения и количественной оценки условий движения подземных вод как при воздействии инженерных сооружений, так и в естествен­ ной обстановке. Оно находит широкое применение при решении самых разнообразных гидрогеологических задач, особенно в слож­ ных гидрогеологических условиях, когда аналитические и другие методы расчетов не могут обеспечить достоверной количественной оценки характера движения подземных вод и работы инженерных сооружений. Моделирование позволяет учесть влияние многочислен­ ных факторов при анализе и прогнозе гидрогеологических явлений и процессов, выработать действенные меры по управлению этими процессами и явлениями в нужном для человека направлении, ус­ корять и совершенствовать методы гидрогеологических исследо­ ваний, рекомендовать наиболее оптимальные варианты различных инженерных сооружений, оценивать степень точности и достовер­ ности других расчетных методов, а также способствовать решению многих задач теоретической гидрогеологии.

В практике гидрогеологических исследований применяются два вида моделирования: физическое и математическое.

При физическом моделировании процессы фильтрации и связан­ ные с ними явлении воспроизводятся на специальных моделях (фильтрационных лотках) с сохранением их физической сущности. Так, например, в фильтрационном лотке, представляющем собой ем­ кость, заполненную пористой породой и снабженную устройствами для задания граничных условий и для измерения напоров в отдель­ ных точках, можно исследовать движение жидкостей через порис­ тую среду в различных искусственно создаваемых условиях, по­ добных изучаемым в природе. При этом на модели пропорциональ­ но изменяются (уменьшаются или увеличиваются в определенное число раз) все элементы, характеризующие изучаемый процесс или

щего конкретным гидрогеологическим условиям изучаемого объек­ та, так же, как и при решении дифференциальных уравнений движения подземных вод другими методами, при моделировании должны быть заданы условия однозначности решения. Условия однозначности определяют единственность решения и включают:

1)геометрические размеры области фильтрации и форму ее границ (длина и ширина участка, мощность горизонта, положение водоупора, конфигурация боковых границ пласта и границ инже­ нерных сооружений);

2)физические параметры пласта и воды (водопроводимость, пьезопроводность, водоотдача, плотность воды и т. д.);

3)начальные и граничные условия, т. е. значения напоров и рас­ ходов на границах потока и закономерности их изменения во времени.

Таким образом, для решения гидрогеологических задач мето­ дами моделирования необходимо располагать надежными данными о моделируемой области фильтрации: о ее геологическом строении, водоносности, условиях питания, движения и разгрузки подземных вод, о фильтрационных свойствах водосодержащих и слабопрони­ цаемых пластов, об условиях работы действующих и проектируе­ мых инженерных сооружений, т. е. всем тем, что дает основание к наиболее точному воспроизведению на модели реальных условий фильтрации подземных вод и получению однозначного надежного решения поставленной задачи.

Чрезвычайная сложность и многообразие природных условий, а также различная степень их изученности предопределяют необхо­ димость их схематизации при решении задач методами моделиро­ вания (некоторое упрощение природной обстановки и действующих факторов, позволяющее применять боле простые способы моделиро­ вания и обеспечивающее эффективное решение задач с требуемой точностью). Общие принципы схематизации природных условий ос­ таются такими же, как и при обосновании расчетных схем для вы­ полнения гидрогеологических расчетов (см. гл. Ill), с той лишь разницей, что при моделировании требуется более четкое и ясное представление о распределении параметров и характере границ и граничных условий по всей области фильтрации, а также возможен более полный учет предопределяющих особенности фильтрации факторов. В результате анализа природных условий и их схемати­ зации составляется природная схема области фильтрации, на осно­ ве которой (нередко после дополнительной схематизации) создает­ ся фильтрационная модель, функционально соответствующая при­ родной схеме области фильтрации. Решение задачи получают после набора модели на аналоговой машине и проведения опыта.

Следовательно, процесс решения любой гидрогеологической за­ дачи методом моделирования складывается из следующих последо­ вательно выполняемых этапов.

1. Анализ природных условий и исходных материалов, их схема­ тизация и составление природной гидрогеологической схемы обла­ сти фильтрации.

2.Выбор моделирующего устройства, расчет и обоснование фильтрационной модели.

3.Выбор и обоснование способов и методики моделирования, набор задачи на моделирующем устройстве и ее решение.

4.Пересчет полученных результатов с модели на натуру с ис­ пользованием соответствующих масштабных коэффициентов и об­ работка полученных результатов.

Спомощью моделирования решаются прямые, обратные и обоб­ щенные задачи фильтрации подземных вод.

Решение прямых задач сводится к определению отдельных гид­ родинамических элементов потока (напоров, расходов, скоростей движения) при конкретных начальных и граничных условиях и па­ раметрах потока, заданных на модели как в естественных услови­ ях, так и при учете воздействия инженерных сооружений. В боль­ шинстве своем эти задачи связаны с прогнозом условий фильтра­ ции при проектировании конкретных объектов (прогнозы подпора в районах создания водохранилищ и на массивах орошения, эффек­ тивности работы дренажных систем, водопонизительных установок и водозаборов подземных вод и т. п.) и в зависимости от сложности гидрогеологических условий могут быть одномерными или двухмер­ ными и значительно реже — пространственными.

Решение обратных задач заключается в определении и уточне­ нии фильтрационных характеристик или граничных условий пото­ ков по данным о распределении их напоров и расходов. Такие зада­ чи обычно решаются подбором до получения приемлемого совпаде­ ния картины распределения напоров (или расходов) с наблюдаемой в природных условиях. На практике с помощью решения обрат­ ных задач определяют значения коэффициентов фильтрации, водо­ отдачи, пьезопроводности или уровнепроводности, величины инфильтрационого или глубинного питания, степени и характера гидравлической связи подземных и поверхностных вод и другие по­ казатели.

Обобщенные задачи решаются для получения общей характерис­ тики какого-либо фильтрационного процесса или с использованием безразмерных параметров или путем перебора всех возможных зна­ чений праметров, характерных для изучаемого процесса. Цель та­ ких решений — получение графических или аналитических зависи­ мостей на основе статистической обработки и обобщения получен­ ных решений [50].

При использовании моделирования следует иметь в виду, что оно, как правило, более трудоемко, чем аналитические решения. Поэтому его следует применять для решения таких задач, которые не имеют достоверных аналитических методов расчета.

Для моделирования установившейся и неустановившейся фильт­ рации используются в основном электрическая и гидравлическая аналогии, реализуемые на сплошных или сеточных моделях. К на­ стоящему времени разработано значительное количество различных аналоговых устройств, обеспечивающих успешное решениеразлич­ ных гидрогеологических задач. Детальные сведения о методах мо­