Файл: Климентов П.П. Динамика подземных вод учеб. для геологоразведоч. техникумов.pdf

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