Файл: Количественные методы в мелиорации засоленных почв..pdf

положение В. М. Легостаева о том, что можно найти единую зависимость для всей зоны солепереноса независи­ мо от структуры грунта и характера режима влаги в нем (наличие капиллярной каймы и т. л.) не соответствует дей­ ствительности. В дальнейшем будет показано, как с изме­ нением в зоне солепереноса структуры грунта и режима грунтовых вод резко меняются закономерности изменения концентрации. Несмотря на это, уравнение (1.2.1) позволило автору дать некоторые теоретические зависимости, приме­ нимые к расчету миграции солей в отдельных простейших случаях. В последующих своих работах В. М. Легостаев по неизвестным причинам не применяет теоретических разра­ боток и пользуется эмпирическими зависимостями. В 1953 г. Н. Н. Веригиным при исследовании фильтрации жидкостей через пористую ореду в условиях их физико-химического взаимодействия рассмотрено совместно уравнение фильт­ рации и солепереноса. Математическая .модель, составлен­ ная Н. Н. Веригиным, представляет собой замкнутую систе­ м у дифференциальных уравнений, которые описывают филь­ трацию воды в грунте (по закону Дарси и уравнению нераз­ рывности потока), а также уравнение солевого баланса для потока грунтовых вод при наличии вертикальной и горизон­ тальной составляющих вектора скорости фильтрации:

где

При некоторых ограничениях, накладываемых на коэф­ фициенты влаго- и солепереноса, а такж е допущениях, не противоречащих физике процесса, решение указанной си­ стемы уравнений сводится к решению следующего уравне­ ния:

где v x , vy — компоненты вектора скорости фильтрации v, соответствущие осям Ох и Оу и определяемые из уравнения фильтрации; D — коэффициент диффузии; С0 — концентра­ ция солей предельно насыщенного раствора; С — концент­

10

рация солей в растворе; 7 — константа растворения; р — пористость грунта; х, у, t —соответственно пространствен­ ные и временная координаты.

Уравнение (1.2.2) описывает движение солей в водонасы­ щенном грунте и широко известно в теории миграции солей и влаги. Оно справедливо для несжимаемой жидкости и на­ личии фильтрации и диффузии только в направлении осей Ох и Оу. В случае одномерной задачи для диффузии и не­

Если фильтрация водно-растворимых солей не сопровожда­ ется физико-химическим взаимодействием со средой (отсут­ ствуют процессы сорбции, кристаллизации, растворения и т. д.), то уравнение (1.2.3) может быть заменено более про­ стым :

Из уравнения (1.2.4) видно, что процесс фильтрации ве­ ществ через пористые среды имеет диффузионный характер. Физическая сущность движения солей в породах рассмат­ ривается как конвективная диффузия, обусловленная вы­ нужденной конвекцией фильтрационного потока с наличием растворения, выноса солей.

Для расчета промывок засоленных почв на монолитах Н. Н. Веригин предлагает использовать уравнение (1.2.3). Им приводится решение этого уравнения при условиях:

толщи; Сг — концентрация солей на выходе при х = 1. Здесь приняты конечная глубина (или длина) промываемой толщи грунта, равная I, и вертикальное направление координаты Ох по глубине. Н. Н. Веригиным было предложено условие

11

заменяющее (1.2.7) и полученное при рассмотрении баланса вещества на выходной грани монолита. Н. Н. Веригиным указывалось также, что приведенные в его работе количе­ ственные взаимоотношения факторов солепереноса могут быть использованы для составления мелиоративных прогно­ зов и расчета оптимального управления водно-солевым ре­ жимом орошаемых почв. Таким образом, Н. Н. Веригин впервые указал на возможность количественной характери­ стики солевого режима почв и грунтовых вод с помощью до­ стижений гидродинамики, химической кинетики и теории диффузии. Следует отметить, однако, что уравнения, ис­ пользуемые Н. Н. Веригиным, были известны в теоретиче­ ской физике и применялись при исследовании фильтрацион­ ной диффузии в пористых средах (Патрашев, Арутюнян, 1941; Радушкевич, 1947). В последующих своих разработ­ ках Н. Н. Веригин (1957, 1962, 1964) углубляет и расширяет исследования по вопросам солеобмена. Предложенная им система уравнений гидродинамики и маосообмена пред­ ставляет собой двенадцать дифференциальных уравнений с входящими в них двенадцатью неизвестными параметрами. Разработки Н. Н. Веригина и других исследователей были использованы для теории и практики мелиорации С. Ф. Аверьяновым.

С. Ф. Аверьяновым было решено уравнение (1.2.3) для целей промывок. В этой работе авторами введен параметр относа вещества от места растворения (параметр промыв­ ки):

где Р г и Р е — соответственно критерии Прандтля и Пекле; Р — коэффициент растворения твердой фазы солей. Полу­ ченные теоретические результаты согласовывались с экспе­ риментом, что подтвердило целесообразность применения достижений химической гидродинамики к исследованиям переноса веществ в почвогрунтах для характеристики про­ цессов с количественной стороны. Это позволило с новых количественных позиций подойти к проблемам мелиорации. На основе такого подхода С. Ф. Аверьянов (1965) предпри­ нял попытку определить количественную связь между вод­ ным и солевым режимом почв в условиях орошения. На конкретных примерах показана возможность применения новых разработок для мелиоративных расчетов.

12

На осно-ве решения уравнения (1.2.4) С. Ф. Аверьяновым при упрощающих предположениях о постоянстве скорости фильтрации и коэффициента диффузии дан прогноз изме­ нения концентрации солей в почвенном растворе в стацио­ нарном и нестационарном случаях:

а) для установившегося процесса:

где V2 и V\— среднегодовые интенсивности поступления и расходования воды соответственно; D* — коэффициент кон­ вективной диффузии; щ и п 2— минерализация промывных вод, поступающих сверху (щ для неустановившегося режи­ ма, п 2 — для установившегося режима); щ —исходное за­ соление на поверхности почвы; т — пористость грунта ;

P e = XiV\/2D*m — параметр Пекле.

При решении уравнения (1.2.4) для неустановившегося режима на поверхности почвы принималось условие, учи­ тывающее поступление солей вместе с минерализованной во­ дой, а также с учетом факта, что соли не выходят за грани­ цу капиллярной каймы при испарении.

В этой же работе приведена методика определения пара­ метров уравнения. Указанная статья С. Ф. Аверьянова дала большой толчок к развитию количественных исследований в мелиорации засоленных почв. Дальнейшие теоретические разработки были направлены к более точному рассмотрению физики процесса. Н. Н. Веригиным (1967) получено решение уравнения (1.2.3) с учетом растворения солей (у=/0) в отли­ чие от решений, полученных С. Ф. Аверьяновым для про­

13