Файл: Количественные методы в мелиорации засоленных почв..pdf

ективного численного критерия оценки орошаемых земель по их мелиоративному состоянию. Вопрос этот очень слож­ ный, и приведенные ниже исследования, по существу, толь­ ко начало планомерных работ в данной области.

§ 2. Энергетическая модель процессов солепереноса. Мелиоративный показатель территории

В I главе данной монографии были выведены дифферен­ циальные уравнения массопереноса на основе закона сохра­ нения вещества. Применим другой фундаментальный за­ кон — закон сохранения энергии. Рассмотрим элементарный

и выведем баланс энергии для системы «почва — грунтовая вода». В общем виде изменение энергии на участке dx будет равно

где ДЕ — изменение энергии на участке d x ;

тп\ и тп2— средняя масса грунтовых вод в соответствующие моменты времени t\ vit 2 \ V\, v 2— скорости потока грунтовых вод в соответствующие моменты времени t\ и t2\ A j — рабо­ та, совершаемая в элементарном объеме потоком грунтовых вод на участке dx по преодолению сил трения о частички

131

грунта (другие виды работ по перемещению солей, по пре­ одолению сил сопротивления внутри жидкости и т. п. здесь не рассматриваются ввиду их малости по отношению K li ) .

Считается, что механическая энергия потока грунтовых вод тратится в основном на преодоление трения жидкости о поверхности пор грунта; получаемое при этом тепло рассеи­ вается в атмосферу.

Сила трения жидкости о частички грунта в случае, если течение подчиняется закону Дарси, определяется из выра­ жения (Чарный, 1963):

где v — абсолютная вязкость жидкости, г -см/сек; v — ско­ рость фильтрации, с м ! сек ; k — коэффициент проницаемо­ сти, см 2; р — удельная плотность, г/см3; р — пористость; f(x) — площадь поперечного сечения потока грунтовых вод, с м 2; dl — толщина элементарного сечения, см. Тогда работа, совершаемая силами трения на участке dx, будет равна

At = F TJ,dx

так как dx —vAt, где At —t2—1\, а в формуле (IV.2.2) произ­ ведение рр/(я;)<2/ означает массу жидкости в элементарном объеме толщиной dl, то величина А будет равна

ние силы тяжести; k — коэффициент фильтрации в см/сек или в м/сут. В общем случае, учитывая источники и стоки в виде испарения или инфильтрации, которые вызывают изменение массы потока грунтовых вод, формула для A t тр будет иметь вид

(IV.2.3)

Для участка длиной I общая работа за единицу времени будет описана суммой A i +A2 + . . . -,+Аа, т. е.

132

где Ап— работа, совершаемая потоком грунтовых вод. Работа потока грунтовых вод Ап осуществляется массой

жидкости т. Наиболее существенная для мелиорации рабо­ та по перераспределению солей в вертикальном и горизон­ тальном направлениях производится не всей массой потока грунтовых вод, а какой-то ее частью, которая находится вблизи дневной поверхности. По экспериментальным дан­ ным, наибольшее изменение концентрации солей в грунто­ вых водах в процессе влаго-, солеобмена с почвой происхо­ дит в слое мощностью 10—15 м. Следовательно, необходимо рассматривать не всю массу жидкости т, а эффективную массу т*, активно участвующую в процессе солеобмена. Величина эффективной массы будет меняться в зависимо­ сти от химизма засоления. Для ионов с высокой миграцион­ ной способностью (например, для С1') активная зона соле­ обмена будет большая, чем для сульфатного или карбонат­ ного типа химизма, что и наблюдается в природе. Кроме того, воздействие испарения и инфильтрации воды на поток грунтовых вод происходит не одновременно. Обозначим за t время действия инфильтрации, тогда за единицу времени, которая интересует мелиорацию (год, вегетационный пери­ од), влияние испарения будет оказываться в течение (1—t) времени. Следует также учесть тот момент, что инфильтра­ ция приводит к повышению уровня грунтовых вод, что, в свою очередь, вызывает увеличение испарения. Это увели­ чение можно предусмотреть, если в зависимость испарения от глубины уровня грунтовых вод внести поправку на ин­ фильтрацию, т. е.

Это соотношение, очевидно, можно использовать для коли­ чественной оценки естественной (или искусственной) дренйрованности ландшафта. Из анализа формулы (IV.2.5) сле­ дует, что чем больше работы может совершить система на данном участке, тем более высокой дренированностью она обладает и, следовательно, тем большее количество солей она может вынести за пределы рассматриваемой террито­ рии. j

133

Если рассмотреть работу, совершаемую жидкостью, по отношению к концентрации, то можно положить, что это отношение показывает способность системы «почва — грунтовая вода» освобождаться от легкорастворимых солей (транспортировать их вниз к ионному базису стока). Эта спо­ собность системы имеет чрезвычайно важное значение для мелиоративной характеристики территории. Обозначим это отношение как

где С* — средняя концентрация солей в системе «почва — грунтовая вода»; М — мелиоративный показатель террито­ рии.

С* можно приближенно определить исходя из следую­ щих соображений: начальная концентрация солей в потоке грунтовых вод С0 по мере движения вниз изменяется за счет привнося солей с поливными водами или с атмосфер­ ными осадками. Это поступление солей можно определить, зная концентрацию поливных вод или осадков у п по отно­

шению Щг . Увеличение концентрации за счет потерь массы

Используя (IV.2.5) и (IV.2.7) запишем формулу (IV.2.6) в виде

(IV.2.8)

(IV.2.8), получим значение мелиоративного показателя для Si участка:

134

Для участка площадью S мелиоративный показатель можно определять по формуле

Рассмотрим возможность практического использования по­ казателя М для целей мелиорации.

Мелиоративный показатель — как количественный кри­ терий оценки земель при почвенно-мелиоративном райони­ ровании. «Районирование территории следует проводить не по какому-то одному фактору (глубина грунтовых вод, их сточность, содержание солей в почве и т. д.), а на основе выявления всего комплекса причин, обуславливающих ход процесса почвообразования, засоления и рассоления» (Пан­ ков, 1962). Следовательно, количественный критерий оцен­ ки земель должен включать в себя всю сумму природных факторов, которые влияют на процессы миграции солей в системе «почва — грунтовая вода»: величину осадков, тем­ пературу воздуха, скорость ветра, фильтрационные свойст­ ва пород, геоструктуру и т. д. Покажем, что формула (IV.2.9) включает в себя все названные зависимости: а) кли­ матические показатели интегрально входят в величину ис­ парения qo; б) гидрогеологические условия местности отра­ жаются в величинах коэффициента фильтрации, скорости потока грунтовых вод, глубине залегания грунтовых вод; в) почвенные признаки отражены в величинах инфильтра­ ции, концентрации почвенного раствора. Таким образом, показатель М, который выражается одним числом, содер­ жит в себе всю сумму влияния природы на процессы засо­ ления — рассоления, кроме влияния биологических факто­ ров. Мелиоративный показатель будет иметь наибольшую величину, если содержание солей в почвах, грунтах и грун­ товых водах будет стремиться к нулю. Действительно, если

Со + № + (1 -*> в & оо,

если 1п*—(1—t)qo [^1----- ~~ j + fe-»-0, то М-»О.

Данный случай означает, что вся грунтовая вода и все осад­ ки испарились, на участке остались лишь соли и грунт.

135