автореферат диссертации по строительству, 05.23.07, диссертация на тему:Кинетические модели движения грунтовых вод и их применение в решении проблем регулирования влажности почвы, удаления сточных вод, охраны окружающей среды



ПРОИЗВОДСТВЕННОЕ ОБЪЕДИНЕНИЕ ПО ИЗЫСКАНИЯМ, ИССЛЕДОВАНИЯМ, ПРОЕКТИРОВАНИЮ И СТРОИТЕЛЬСТВУ ВОДОХОЗЯЙСТВЕННЫХ И МЕЛИОРАТИВНЫХ ОБЪЕКТОВ В СССР И ЗА РУБЕЖОМ «СОВИНТЕРВОД»

На правах рукописи

ВЛСИ ЛЕН КОВ Валерий Федорович

УДК 631.621:53.072:51

КИНЕТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ДВИЖЕНИЯ ГРУНТОВЫХ

ВОД И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ В РЕШЕНИИ ПРОБЛЕМ РЕГУЛИРОВАНИЯ ВЛАЖНОСТИ ПОЧВЫ, УДАЛЕНИЯ СТОЧНЫХ ВОД, ОХРАНЫ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

Специальность 05.23.0/ — Гидротехническое и мелиоративное строительство

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва 1991

Работа выполнена на кафедре с. х. мелиорации и гидротехнических сооружений Рязанского сельскохозяйственного института им. профессора П. А. Костычева.

Официальные оппоненты: академик ВАСХНИЛ, доктор технических наук, профессор Б. Б. Шумаков,

член корреспондент ВАСХНИЛ, доктор технических наук, профессор Н. И. Дружинин,

доктор технических наук С. И. Сторожук

Ведущее предприятие — Российский государственный концерн по водохозяйственному строительству г. Москва

Защита состоится « /т2» ¿V 1992 г. в ^^часов на заседании специализированного совета Д. 099.08.01 при Производственном объединении по изысканиям, исследованиям, проектированию и строительству водохозяйственных и мелиоративных объектов в СССР и за рубежом «Совинтер-вод» по адресу: 129344, Москва, ул. Енисейская, дом. 2.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ПО «Совинтервод».

Автореферат разослан « _ 1991 г.

Ученый секретарь специализированного совета Д 099.08.01,

кандидат технических наук Н. Г. ЗУБКОВА

¡¡т5с\уг'. 2

'' 1 овад хлракгенкжка работы

{ Актуальность работа. Задачи научтгх исследований в областях ¡ттгиабсфшого хозяйства, связанных с использованием и охраной вадн»~ ресурсов, регулированием влажности почвы и уровней грунтов',тс аод в значительной мере обусловлены необходимостью в несколько раз увеличить валовое производство основттх продуктов сельского хозяйства. Развитие мелиорация как реппьцегэ звена устойчивого земледелия вызывает необходимость более экономного и интенсивного использования водных ресурсов.

Рациональное использование води возможно на основе ее оперативного учета, точного знания составляющих водного баланса, однако сущэствущие метод« их расчета и регулирования не всегда удовлетворяет новш требованиям.

Важная роль совершенствования мелиорации земель в развитии сельского хозяйства Нечерноземной зоны РСФСР определяется наличием большой площади переувлажненных земель и значительных площадей уже мелиорированных земель, нуждающихся в реконструкции. Оптимизация методов расчета регулирования водного режима осушаеитс земель необходима для совершенствования параметров осусительншс и осучытельно-увламгательных систем, лучяего обоснования норн осушения, более гибкого управления уровняю грунтовых вод, решения экологических задач.

Настоящие исследования выполнены в соответствии, с целевой комплексной научно-технической программой 0.Ц.034 "Повышение эффективности мелидрируеммх земель и использования родных ресурсов в мелиорации", с конкретными задачмями Министерства мелиорации, и водного хозяйства РСФСР (1961-83) Рязанского облводхоза (19о0), Рязанского агропрома (1967), с координационно-тематическими плана™ Рязанского СХИ (1980-91).

•

Целью работ» является совершенствование теории движения грунтовых вод на основе разработки кинетических моделей и изучения кинетики процесса изменения уровней в течение годовых циклов, создание более совеппешгмх методов расчета, обеспечивахяж эффективное функционлрозание м^ясраг^зяых

систем,экономил ресурсов, повкеогр.ю качества реконструкции, обосновывающих технологически схе:.щ утилизации гивотновод-ч ос них стоков, исклпчаюкда загрязнение о::руиасп;ей с род;;.

Задачи исследоваиия:

- определить возможность оппсанал процесса математическими выражениям:! баз рассмотрения прожиточного состояния -капиллярной каймы;

- раскрыть механизм псследозатольного перехода еплошио-го водного тела груичосого потока а ссуаэилув оо!^ чороз ка-паллярнуа каГ^у;

- глсяодоаать необходимость учата яокадлаацди кат:л;хдх> па?, ка^.сз относительно уровня грун-гозгле вол, влпли^я распой о«даеиа уодезкмшл кмиишйриой каГли;

- одшгь пгрйШ'г^у» ооязашю о дзздуцэй свяоЯ процесса, « иг.ра;;з?',и еопг.отаЕйзгая»

- найти условия, пуя которих водоо-г^ча кардгхша и в©-стопина; когда осуцесгвлкстск переход о? парслшоВ в пссго«;*-ной водоотдача;

- опредаяать лкисйиость в нвланоЯноеть в т-ериодиигшчес-кои еимело построенных хюдолеП и просдадхть переход неляи&й-ких моделей к клнвйшм при приближен-«:; с«стаи: к конечно: у стацмонарноыу сссто>;;ш»;

- проверить полученшо иодглл оиспарилснтааига »а к^гд-ко-г наличия ноописываешх частных случаев к на оаотзетстзж Ешетячэскам кодсляи дерах сбяаысЯ пауки;

- разработать методику расчетов дремала, составлявши водного баланса для режима орокеиия, уйовсрЕ.аттвогать технологов утилизации! мнпотногодческих стотсов.

Нот оди ка ясс л с до в ш т й. Мстодичссяой базой рзбо-ш являете,-! метод математического ыодзлированхя, на^едвий шлроксо щшенашо в хнмлческой фязкко. 3 раусах итого подхода строятся и анализируется соответствуй:;..а кинетические модели,цо-торпе представляют собой сз;стеш нелинейных дифференциалы;:« уравнений, исследование их проводится соирсконшол; математическими мотодамп, в том числе и на ЗШ, Пироко используглся достижения основоположников наухл: с двкязнки грунтовых под.

Адояватпость расчетных рэзульт&топ роадъности проверяется сравиоиксм с овсперямекталмвпя даиншз, погучешмми в голо собственных пологая: исследований, я результатам набяо-д?гай других ксслодоват'злой.

Научная новизна:

- построена ¡iopoüb, оипеппапя.чя г.эа>:мэдоГ,ств:;о двух обобцшъъ к:и:сг::чссп:х одзющ - водного то л а грунт озого потока и осушошюй зоны при необратимом переходе зош насще-ш;л в зону осушения;

- построена подзль, учитывающая узловпя прздыдущзго пункта а возможность водосбг.'зна мз:хду водоноенкпш пластами;

- составлено уравне-клз баланса движения воздуха и грунта;

- получена закопонзрггость езмэноннл влаиюстн почт к иодостатаа посщзкяя в завлспкости от взаенвестрго давления;

- наПдено аналитическое гарааенке для вакуума, характера зус?^)го ограниченный доступ атмосферного поз дух а к сшгкапщз-цуся уровню грунтовых сод;

- построена модель, описивагацэя г-паккодсйствпе зет; нг»~ сыгумкл с зоной ооусання пра обратимой пероходо» учитмвегдадл илплнпо вакуума;

- разработай аиокатаческиЯ катод опрадзяокия глубшп,; зздогапия водоупора;

" установлен &ЕСПзркмзиталы!Нй факт постоянства ийясу-галыюй Аогзрифдачоской скорости сшиеиая ир:г

зяачнуояьион оэизиздхл odetae запесов. грунтов®: вод на г.одо-сборэ/^впо''годам ¡5 соаонам;

- диш объяснения 'а- распа* подъома уровпой грунтогих вод и зайке короэгав периода, когда в»£и>ьграцкя зеялочека;

- модель обратимого перэхода объясняет окепэрикбкхальшдй

резкого парохода ог стационарной фззн сяоагкпя уровня,

ПОГДа УРОВЗНЬ ПОПЮ1 по пзшкетвя, К KirSOIICHbHOtiy СШ!~.ЗШЮ5 пабхкдзсмо.'З' юющг п кс;;цз Еиг.я п лота;

- TjL';;iu;cti пнсрцлспшзй паркод еннгл-зшя уровня груктоаьс l-'од, погд:: гедэотдйчг, пгрзгошю, аа продсль?^ анорцчокгога повода гаяоотдаад посготш;

- узгаяолаова vr.zi's.c-n гагг;а;:ког'Л> голгчпкм пфшл-рат.-.,

поступьющего на уровень грунтовых вод, от мощности осушзнной зоны;

- построена модель обратимого перехода зона насыщения в зону осушения при ин4нльтрационном патании;

- выявлен экспериментальный факт малых скоростных коэффициентов инфильтрации на крутых ветвях подъема уровней н больших скоростных коэффициентов на пологих ветвях подъема уровней грунтовых вод, дано объяснение этому явление;

- построена нодель обратимого перехода зош насыщения в зону осушения при Ен^ильтрацноннои пнтанхн к испарении с уровня грунтовых вод;

- построена модель изменения уровня грунтовых вод при переменной водоотдаче и постоянном давлении в виде системы дифференциальных уравнений, описывающих механизм перехода водного тела грунтового потока-в осушенную зону через промежуточную капиллярную кайод, расположенную осредненно под уровнем грунтовых вод;

- раскрыты причины возникновения инерционного периода и описаны его закономерности;

- построены модели изменения уровня грунтовых вод при переменной водоотдаче и переменном давлении, без влияния инфильтрации и испарения и с учетом этого влияния;

- построена модель изменения уровней грунтовых вод пра переменной водоотдаче, постоянной давлении, с капиллярной каймой, расположенной под уровнем грунтовых вод;

- построена модель изменения уровней грунтовых вод пра переменной водоотдаче, постоянном давлении, исходящая из условия прохождеш(я уровня грунтовых вод через горизонтальную ось симметрии капиллярной кайш;

- дано объяснение постоянства максимальной логарифмической скорости снижения уровня грунтовых во^/^при значительном изменении общих запасов грунтовых вод на водосборе/¿зз ;

- построена модель изменения уровней грунтовых вод прл переменной водоотдаче, переменном давлении, пря условие прохождения уровня грунтовых вод через горизонтальную ось симметрии капиллярной кайш;

- построена модель изменения уровней грунтовых вод при постоянной водоотдаче, переменном давлении, учитывающая инфильтрацию, испарение и отток грунтовых вод в дренаж;

- построена модель изменения уровней грунтовых вод при переменной водоотдаче, переменном давлении, учитывающая инфильтрацию, испарение и отток в дрена*;

- дана методика расчета изменений уровней и построения депрессиокных кривых в пространство.

Практическая ценность. Полученные кинетические модели могут найти применение в различных областях народного хозяйства имеющих дело с режимом грунтовых вод: оценка возможного подтопления и заболачивания территории строительства; притока воды в строительные котлованы, карьеры, шахты, дренатлые сооружения; химического воздействия подземных вод на сооружения; оценка меженных расходов рек; планирование эксплуатации водозаборов подземных вод; планирование противооползневых мероприятий; проектирование мероприятий по борьбе с засолением, заболачиванием, иссушением и эрозией сельскохозяйственных нолей и т.п.

В диссертации разработаны методы расчета я даны примеру анализа применительно к нуядам мелиорации и водного хозяйства - проектирования к эксплуатации оросительных и осупмтель-

- расчеты сельскохозяйственного дренам;

- прогноз изменений уровней грунтовых вод на прилегающих к осупктелькым системам территориях;

- дана методика использования кинетических моделей как инструмента анализа функционирования существующих мелиоративных систем с целью их реконструкции;

- разработаны методы прогноза уровней и водобалансовых расчетов при регулировании влажности почвы на осушаемых и оро -шаемых землях;

- дакы предложения по охрана грунтовых вод от загрязнения при поливе сточными водами и животноводческими стока!«;

- предложена технология поэтапного проектирования, строительства и исследования дренажа на основе кинетических моделей;

- изобретен новый дождевальный шлейф для полива сточными водами;

- изобретены способы полива илом и сточными водами по бороздам.

Использование практических рекомендаций дает экономический эффект в результате повышения урожайности сельскохозяйственных культур, экономии водных ресурсов, природоохранного (водоохранного) эффекта.

Результаты исследований способствуют совершенствованию теоретической базы сельскохозяйственных мелиораций как научной дисциплины.

Основные положения, защищаемые в работе:

- комплекс кинетических моделей движения грунтовмх вод;

- методы расчета составляющих баланса грунтовых вод;

- методы совершенствования параметров мелиоративных систем.

Реализация работы. Исследования выполнены непосредственно по заданиям производственных организаций с учетом их появлений. Отчеты о работе, рекомендации и указания переданы ор ганизациям и в установленном порядке внедряются в мелиоративное строительство и сельскохозяйственное использование мелиорируемых земель.

Результаты исследований использованы при разработке "Рекомендаций по расчетам регулирования влажности почвы при водосберегающей технологии поливов в условиях Нечерноземной зоны РСЗСР", 19Ь8, обеспечивающих сокращение удельных расходов воды на гектар орошаемых земель. "Рекомендации..." применяются проектным институтом Рязаньгипроводхоз и хозяйствами области. Материалы исследований использовались Московским гидромелиоративным институтом для написания научных отчетов по тематике проблемной лаборатории эксплуатации гидромелиоративных систем.

Внедрение технологии полива, предотвращающей сброс животноводческих стоков в грунторые воды, на оросительных систе-

мах свинокомплексов на 108 тыч.голов в совхозах "Туртапский" Нижегородской области и "Искра" Рязанской области дает годовой экономический эффект 175083 руб.

Разработаны и внедрены в проекты очистки от ила трех прудов Рязанской области "Рекомендации по анализу работы мелиоративных систем и их реконструкции в условиях Нечерноземной зоны РСФСР".

Технология поэтапного проектирования, строительства и исследования работы дренажа в настоящее время внедряется по договору в совхозе "Туртапский" Нижегородской области для реконструкции осушительной системы.

На основе кинетических моделей и авторских свидетельств предложена схема реконструкции системы, подготовки и утилизации свиноводческих стоков комплекса на 108 тыс.голов, совхоза "Искра" Рязанской области, включающая:

-совершенствование конструкций и расчетов узла сооружения пруда-накопителя;

-замену дождевальной техники;

- применение новой технологии полива дождеванием;

- строительство горизонтального отстойника новой конструкции;

- запахивание ила по предлагаемой технологии;

- новые методы расчета размножения нитчатых,флокулирую-щих микроорганизмов в аэротенках;

- совершенствование конструкции и режима работы аэротен-

ков;

- перераспределение в систем» очистки животноводческих и бытовых стоков, облегчающее задачу очистки.

Технология утилизации свиноводческих стоков демонстрировалась в 1989 г. на ЦЩЖ СССР и удостоена серябряной медали.

Результаты работы используются в учебном процессе по специальности "Гидромелиорация 1511": в лекционных курсах пр:: изложении теоретических вопросов, в курсовых и дипломных проектах при определении рациональных параметров техники полива и оросительной сети.

Апробатшя работы.

Результаты исследований докладывались на научных конференциях профессорско-преподавательского состава Чувашского СХИ и 107с р.; Рязанского СХИ в 1979-1991 гг.; Московского гидромелиоративного института в 1990 г.; на совместном заседании Кафедры эксплуатации гидромелиоративных систем и проблемной лаборатории эксплуатации гидромелиоративных систем Московского гидромелиоративного института 1962-19ЬЗ гг.; на заседаниях научно-технического совета объединения Рязаньмелиорация 19Ы-84 гг.; на заседании научно-технического совета Рязанского облагропрома в 19Ь7 и 19ЬЬ гг.

Материалы исследований многократно докладывались на лекциях по путевкам общества "Знание", слушателям факультета по-выкения квалификации, студентам гидромелиоративного факультета РСХИ.

Результаты расчетов апробированы на материалах наблюдений Государственной сети метеостанций в Калужской, Тульской, Рязанской, Нижегородской областях, Чувашской и Мордовской АССР, наблюдений на осушительных системах совхоза "Московский" и Рязанского совхоза-техникума, на мелиоративных системах свинокомплексов совхоза "Туртапский" Нижегородской области и совхоза "Искра" Рязанской области.

Исследования выполнены на кафедре сельскохозяйственных мелиораций Рязанского сельскохозяйственного института имени профессора П.А.Костычева под руководством и при личном участии автора в период с 1976-91 гг. и Чувашского сельскохозяйственного института в период с 1976-76 гг. в соответствии с заданиями Министерства мелиорации РСФСР (номера государственной регистрации 01Ь200739&7; 01840051Ы5), Рязанского обл-водхоза (номер государственной регистрации £>0042278), в соответствии с координационно-тематическим планом института ' (номер государственной регистрации 01.66.0029750).

Публикация. Основные результаты исследований опубликованы в 25 печати?,IX работах. Монография находится в издательстве. Аннотат^ия о монографии опубликована в 19Ь7 г. в сборнике ре-

фератов НИР и ОКР ШТИЦ, сер.25 3 I. Общий объем печатных работ - 42 печатных листа.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение. Дано краткое состояние проблемы математического моделирования движения грунтовых вод первого водоносного горизонта, обоснована ее актуальность, сформулированы цели и основные положения, вьгносимме на защиту.

В первом разделе "Предпосылки построения моделей" приводится краткая характеристика района проведения зкспериментлль ных исследований и изучения технического состояния существующих мелиоративных систем - центральной части Нечерноземной зоны РСФСР. Этот регион в пределах Средне-Русской и Приволжской возвышенностей и Мещерской низменности отличается большим разнообразием режимов уровней грунтовых вод по сезонам и по годам наблюдений. Анализ колебаний уровней грунтовых род производился по материалам наблюдений в скважинах Государственной сети метеостанций за 1962-80 гг. и других организаций, а также наблюдений автора в ходе экспедиционных и стационарных полевых исследований.

Экспериментальные исследова!ия режима уровней грунтовых вод выявили ряд фактов, не описанных существующей теорией движения грунтовых вод: типично 5 -образный характер изменения уровней грунтовых вод во времени, линейность зависимости логарифмической скорости снижения уровней от величины отклонения системы от положения равновесия, инерционный период, диссипативные структуры, затухающие колебания и др.

Обследование существующих мелиоративных систем показало, что они часто не выполняют свои функции по регулированию влажности почвы: даже на совершенных в конструктивном отношении системах наблюдаются одновременно недоосушенные, переосушенные и нормально увлажненные участки; поливы, отвечающие современным требованиям нормами приводят нередко к сбросу в грунтовые воды.

Переход на интенсивные технологии в земледелии требует

высокоэффективных приемов мелиорации земель, более интенсивного и экономного использования водных ресурсов, точного знания составляющих водного баланса, что предъявляет повышенные требования к научному обоснованию создаваемых и реконст-рируемых систем.

Теория фильтрации, на основе которой решались практические задачи, в том числе и в области мелиорации, создавалась работами Н.Е.Жуковского, Л.С.Лейбензона, Н.Н.Павловского, В.З.Ведерникова, Н.Н.Веригина, Н.К. йринского, Г.Н.Каменского, П.Я.Полубариновой-Кочиной, С,Н.Нумерова, В.С.Козлова, Ф.В.Нельсон-Скорнякова, И.А.Чарного, Р.Р.Чугаева.В.К. Ризенкампфа, С.Ф.Аверьянова, А.Н.Костякова, В.И.Аравина, Ф.М.Бочевера, Г.К.Михайлова, Н.И.Дружинина, А.И.Ивицкого, В.А.Ионата, В.М.Шестакова, А.Я.Олейника , А.И.Голованова, Е.С.Маркова, Б.С.Маслова, И.Н.^кинкиса, А.И.Мурашко и др.

Широкое распространение при расчетах изменений уровня грунтовых вод и движения влаги в зоне аэрации получили диффузионные модели типа Вуссинеска. Более полной моделью, основанной на уравнении баланса массы, является диффузконно-кикинетическая модель (И.Пригожин, Г.Николис,Л.С.Полак,М.В. Михайлов, А.М.Жаботинский и др.).

В целях дальнейшего совершенствования теории движения грунтовых вод ставится задача выявить возможность и необходимость описания движения грунтовых вод диффузионно-кинетической моделью и только кинетической моделью выявить и исследовать механизм процесса, описываемый кинетическими моделями и на основе этого механизма, учитывая взаимодействие компонентов системы построить следующие модели:

1. Изменения уровня грунтовых вод во времени для первого водоносного горизонта при постоянной водоотдаче, обусловленное отеканием по водоупору, перетеканием через водоупор

в другой водоносный горизонт, влиянием вакуума, инфильтрацией, испарением.

2. Изменения уровня грунтовых вод при переменной водоотдаче, когда капиллярная кайма осредненно находится под уровнем.

3. Изменения уровня грунтовых вод при переменной водоотдаче, когда капиллярная кайма наполовину находится под уровнем, наполовину над уровнем грунтовых вод.

4. Изменения уровня грунтовых вод, обусловленное влиянием дренажа.

На оснопе кинетических моделей предполагается разработать методы расчета, дать примеры анализа и научного обоснования мелиоративных систем.

Во втором разделе "Модель изменения уровня грунтовых вод при постоянной водоотдаче и переменном давлении" рассмотрен механизм процесса, характерный для падающих тел. В общем случае молекулы воды подвержены действию силы тяжести и тепловому движению, стремящемуся выравнять концентрацию молекул-диффузии.

Модели движения грунтовых вод по типу диффузии (модель Буссинеска) отражают процесс выравнивания во времени и пространстве напоров.' При этом уклоны уровней грунтовых вод на водосборе уменьшаются, а так как по закону Дарен скорость пропорциональна уклону, то уменьшается во времени и пространстве и скорость движения воды.

Для падающего в гравитационном поле тела характерно возрастание скорости от начала падения, где скорость равна нулю, до точки, где сила трения сравнивается с силой тяжести и скорость становится постоянной. Движение грунтовой воды по наклонному водоупору является неустановившемся, поэтому можно говорить лишь о возрастании скорости в процессе падения молекул.

Если принять за начало падения предел, к которому стремятся 3 -образные кривые уровней, соответствующие разным моментам времени, и считать этот предел постоянным для всей фазы снижения, то уклон, а значит и скорость, будут расти во времени. Кривые уровней будут как бы поворачиваться вокруг точки "О", лежащей на оси отсчета (рис Л).

Предположим, что все изменения в системе грунтовые воды-внешняя среда происходят в результате взаимодействия только двух компонентов системы - водного тела грунтового потока

О

/н1

и

н,

с*

д. 3

а

- - —

€

1

Рис Л. Схематизация стекания грунтовых вод с водосбора I - створ наблюдательной скважины; 2 - створ границы водораздела; 3 - гипотетическая точка пересечения 5 -образных делрессионных кривых с осью отсчета 0-0; 4 - поверхность земли; 5 - водоупор. "И" в см и осушенной зоны " 2 " в см:

г + Н —- В О)

Мощность капиллярной каймы согласно схеме (I) принята постоянной во времени (водоотдача постоянна), поэтому капиллярная кайма на рис.1 условно не показана.

Используя уравнение баланса и закон Дарси, спорость изменения уровней в сечении I можно описать уравнением: <^21 _ К

с1±

7- 1-Н

(2)

коэффициент, получаемый из пропорции при нахождении величины изменения уровня на водоразделе, когда в створе I изменение уровня равно с1£ ;

Ь - коэффициент водоотдачи;

£ - расстояние по линии тока от сечения I до водораздела;

1_ - расстояние от сечения I до гипотетической точки пересечения депрессионннх криы-х; - коэффициент фильтрации. Решение уравнения (2):

2 _ 13 " Мае

/// Ня* - (3)

гдв/^г: ¡р*^^--скоростной коэффициент.

Относительная (логарифмическая) скорость снижения уровня

линейно зависит от мощности осушенной зоны , что подтверждается многочисленными экспериментальными данными. Однако в уравнении (2) игнорируется выпуклость депрессионных кривых, которая д^^авнении Буссинеска характеризуется второй производной

/дх3- • Уравнение (2) выражает зависимость скорости снижения уровня от времени в виде колоколообразной кривой, т.к. с течением времени 2 растет,// уменьшается. В уравнении Буссинеска уменьшается и // и Эх* , поэтому скорость сниже-

ния уровня уменьшается во времени. Очевидно, если кривизна деп-рессионной кривой велика, уравнение (2) должно дополняться слагаемым, содержащим вторую производную

.т.е. модель в этом случае должна быть диффузионно-кинетической.

Согласно модели (2) уровни грунтовых вод должны переходить в фазу стационарного состояния, стремясь к отметке водоупора. . Однако у фактических депрессионных кривых стационарная фаза наступает каждый год на разных, иногда резко отличающихся отметках. Этот факт может объясняться перетеканием в межпластовые горизонты. В этом случае модель будет иметь следующий вид:

-г)*-*- ^г + Цяк (и**-*)

(4)

где К& - коэффициент фильтрации разделяющего слоя в вертикальном направлении;

V - коэффициент,"характеризующий положение уровня меж-

лластовых вод по. отношению к разделяющему слою пород;

б - мощность разделяющего слоя пород.

Деление левой и правой частей уравнения (4) на £ не приводит выражение к линейному виду, что противоречит действительности и следовательно факт установления фазы стационарного состояния на разных по годам отметках не объясняется наличием водообмена между водоносными пластами.

В качестве условия лимитирующего снижения уровня в зависимости от меняющихся ежегодно условий, принимаем, что давление на уровне грунтовых вод не постоянно' во времени, меньше атмосферного в связи с недостаточным доступом атмосферного воздуха в освобождающиеся от воды при снижении уровня капилляры.

- 14 -

Для определения скорости подъема уровня грунтовых вод пo^ действием вакуума составлен ряд уравнений:

1. Общей скорости снижения уровня грунтовых вод в случае наличия вакуума

■0- - (5)

где к - коэффициент вертикальной фильтрации влаги;

р - недостаточное давление воздуха в грунте на уровне

грунтовых вод; <$" - слой грунта, на границах которого существует перепад давлений р

2. Баланса движения воздуха:

РДе ^^ - объем воздуха в слое почвы при удельном воздухосодержании ;

у- с1 И. - объем воздуха й слое ЫМ ;

(Ы-Н - слой подъема уровня воды за время

- доля свободных от воды пор в слое а!А : С, - коэффициент воздухопроницаемости данного грун-/О - величина вакуума.

3. Скорость поднятия уровня под действием вакуума:

¿¿/г _ к р

¿¿г <з- (7)

4. Зависимости вакуума от недостатка насыщения и от мощности осушенной зоны 2 : , '

м> ("«а - г) г р~ - (в>

5. Зависимости недостатка насыщения от всасывающего давления в диапазоне от \л/ппо до влажности, близкой к насыщени:

' , " О)

где Ю и В - коэффициенты.

В результате получено аналитическое выражение величины вакуума через мощность осушенной зоны :

Р (ХО)

где ОС _ коэффициент пропорциональности.

Отражая влияние вакуума, схему механизма процесса измене уровня грунтовых вод запишем так:

Скорость уровня грунтовых вод по схеме (II) описывается 'равнением ^

Щ {Нав - (12)

— f / \ Кг>С )

1де ~ (/¿55W = у?с5"G ( лгт^у

- константы скорости стекания и подъема грунтовых вод.

Уравнение (12) можно представить в виде:

Л^Е _ ^ Мае /тчх

«afí - г«, (13>

где Z«> = //Лл—. — равновесная мощность осушенного слоя.

Решение уравнения (13):

ZZ Аэ

г - —

^ у. zr-z» ¿ (14)

¿с

Если представить расчетные или экспериментальные данные в координатах ^¿"'¿/сИг ; 2 или

то согласно уравнению (13) кинетические кривые преобразуются в прямую линию. При этом по оси ординат отсекается отрезок

Ива. или I - ,

а на оси абсцисс 2. е. . Положение оси отсчета 0-0 величины Z (рис.1) определяется значением : ось отсчета располагается

выше пика дождевого или снегового паводка на величину .

Для нахождения £ а задаются сначала значением 2а = о, а затем постепенно увеличивая его методом последовательных приближений добиваются на графике линейной зависимости — ^

То значение при котором зависимость {¿У от 2 будет линейна во всем диапазоне 2 , является инстинньтм и его можно использовать в дальнейших расчетах по формуле (14). Таким образом для расчетов нужга наблюдения за уровнями грунтовых вод в скважине и в отличие от диффузионной модели нет необходимости определять раздельно коэффициент фильтрации, коэффициент водоотдачи, глубину залегания водоупора, расстояние до водораздела, что сопряжено со значительными погрешностями. В этом отношении предлагаемая модель практичнее диффузионной. Кроме того, сравнение экспериментальных данных за зимние безоттепельные периоды с рассчитанными показало, что параметру, Ноя не изменяется по годам, и это значительно облегчает прогнозирование уровней.

Модель (12) аналогична модели размножения микроорганизмов. Точно, так же параметр ук, Н/ъа в микробиологии является постоянном,

несмотря на то, что Мев - начальное количество субстрата в культиваторе меняется в больших пределах.

В третьем разделе "Модели изменения уровня грунтовых вод под влиянием инфильтрации и испарения" модель (12) описывает изменение уровня только за счет стекания по водоупору в водоприемник и под влиянием вакуума. Грунтовые вода, уходя из осушае- . мого слоя оставляют после себя влажность, соответствующую НВ, Инфильтрующиеся воды должны восстановить эту влажность до той величины, при которой происходит инфильтрация'данной интенсивности, поэтому на пополнение грунтовых вод расходуется только часть инфильтрата, изменяющаяся во времени.

Просачивающиеся до уровня грунтовых вод количество инфильтрата поднимет уровень на величину

¿У-- 55 (15)

& — ¡г«

Уравнение для скорости подъема уровня грунтовых вод за счет инфильтрационного питания: ¿¿у _ Ко -

где к'о - интенсивность инфильтрационного потока;

^ - влажность грунта, соответствующая данной интенсивности инфильтрации;

5 - коэффициент водоотдачи грунта.

Установлено, что скорость подъема уровня за спет инфильтрации прямо пропорциональна достигнутой к настоящему времени толщине слоя осушения 2й : .

_ , , , а* -яг .да)

где — (- скоростной коэффициент про-

цесса инфильтрации;

2с»>- мощность осушаемого слоя, при которой наступает стационарное состояние.

Модель изменения уровня грунтовых вод под влиянием инфильтрации, стекания по родоупору и вакуума имеет вид:

ЖЕ - " 2- (18)

(16)

В теплые периоды года, когда в изменении уровней принимает участие испарение, уравнение принимает вид:

После интегрирования получаем:

-г_ _ __

^ + (20)

<£> - И \

где ¿V — )

Так зе как к для уравнения (12) прямая линия, полученная при соответствует;":'.? значении 5сг по экспериментальным данным. на гр.-з-сЬикп 'Р - и отсекает на оси ординат отр^-

1 - , а на оси абсшсс -гсм, т.е.

получаем все необходимые параметры для решения уравнения (20).

В уравнении (16) и (19) величина »»фильтрационного питания и испарения задается параметром (ф к ) и переменной 2- , в у рэп нении жо Буссинеска источник задается параметром, который может быть и постоянной величиной.

В четвертом разделе "Модель изменения уровня грунтовых вод при поромэнной водоотдаче и постоянном давления" раскрывается сущность инерционного периода. Результаты проверки в!,[нерассмотренных моделей изменения уровня грунтовых вод при постоянной водоотдаче и переменном давлении показымаюх хорошее совпадение расчетных и экспериментальных данных, получаемых для фазы регулярного изменения уровня. Вместе с тем установлено, что некоторые наблюдаемые в эксперименте закономерности не следует- из структуры модели. Так, уравнение изменения уровня во времени не описызает инерционный период и справедливо ли.Чо с момента времени, когда начинается регулярная фаза. Кроме тоге, согласно рассмотри-нш: мздслеГ:,должна наблюдаться прямолинейная связь меяду обжкми запасами грунтовых вод на водосборной площади я максимальной удельной скоростью изменения уровня, однако, на практике этого не наблюдается: независимо от запасов грунтовых зод на водосбореЛ'а8 параметру,/^сохраняет постоянное значение для данной точки водосборной площади.

Принимаем как первый вариант схега отекания, что капиллярная кайма на пике паводка находится под уровнем грунтовых вод и остается там в течение всего последующего периода снижения уровня. Второе допущение - .ч снижающемуся уровню грунтовых вод обеспечивается свободный доступ воздуха, т.е. давление постоянно.

-16 -

Расположение взаимодействующих Компонентов системы грунтовый поток - капиллярная кайма — осушенная зона поясняет рис.2.

Рис.2. Схематизация стекания грунтовых вод с водосбора при капиллярной кайме, расположенной под уровнем грунтовых вод I - створ наблюдательной скважины; 2 - створ границы водосбора; 3 - гипотетическая точка пересечения 5 -образных кривых уровня с осью отсчета 0-0; 4 - поверхность зешш; 5 - водоупор.

Процесс изменения уровня грунтовых вод в условиях свободно го доступа воздуха представим в виде схемы

Н + Ъ г (21)

Согласно схеме (21) изменение уровня является результатом протекания двух последовательных процессов. Осушенная зона взаимодействует с капиллярной каймой "V " и образуются новые слои осушенного грунта. Капиллярная кайма образуется в результате взаимодействия осушенной зоны с насыщенной зоной грунтового потока "Н".

Взаимодействие осушенной зоны с грунтовым потоком описывается уравнением баланса и формулой Дарси:

ЫИ_ » й?

¿¿-£ ' ~ ~ (22)

где Ко « -Т^ТТГ

<$г. - коэффициент водоотдачи при переходе от зоны полного

насыщения к капиллярной кайме. Взаимодействие осушенной зоны с капиллярной каймой:

= /с, и/н (23)

- коэффициент водоотдачи при переходе от зоны капиллярного насыщения к осушенной зоне.

Таким образом, система уравнений, описывающая цепь последовательных переходов в системе сплошное водное тело - осушенная зона выглядят так:

%% = - //2- (24)

= ^ /у г - /-о и/ г

Для решения системы получпм следующие выражения:.

* =с««~

Как видно из уравнений (25) и (26), зависимости «/¡^ и2 о? мощности полностью насыщенной зоны //определяются одним! и те-(с: параметрами //«■, 2/', 1'а, к?. Задаваясь значениями // , нопно рассчитать по уравнению (26) 2 . По уравнению (25) находят соответствующие величины относительной скорости снижения уровней.

В том случае, когда константы скоростей последовательных переходов й и ^ значительно различаются по величине, причем константа второй стадии больше первой то в формулах

(25) и (26) величина (Н/нн) ^ начиная с некоторого палого значе!п»я Н/ны становится пренебрежимо малой величиной и зависимости:

У ' г-г// ' Н

---- - - И - С>->/ "--

¿¿£ Нн к« Ин Н„

превращаются на графиках в пряше линии. Участки прямых линий соответствуют наступлению кваэистационарного состояния после окончания инерционного периода. Наличие инерционного периода (переменной водоотдачи) связано с тем, что после пика паводка относительная скорость снижения уровня не сразу достигает своего максимального для фазы регулярного снижения значения. Причина этого заключается в том, что скорость снижения* определяется нэ мощностью насыщенной зоны, а зависит от мощности капиллярной каймы, на переформирование которой требуется время.

В пятом разделе "Модель изменения уровня грунтовых вод при переменной водоотдаче и переменном давлении" рассмотренный в четвертом разделе механизм процесса дополняется условием ограниченного доступа воздуха к снижающееся уровню грунтовых вод.

Взаимодействие компонентов системы в этом случае представляется в виде схемы ^

Н+г (27)

Скорость изменения во времени е соответствии со

схемой (27) описывается системой дифференциальных уравнений -- Ка НЪ

- Н И. - и/З ч-К'^Ъ3- ■ (&)

-ЛЪ __ „ . ___ь

= К, \</£ - 2

Г'де/£12-х- скорость подъема уровне под действием вакуума Из системы (2£) модно найти;

^ ё- ^ (С, - Н~ Ъ) ~ /<>- 2- ;

5= ¿-Г// ° "

С^Н + Ы) ¿Г,. —/2// ■л?, -г- /а м, '

или в относительных величинах:

¿V-1 _ /С, _л 1 2

мяИн н» Нн)~ к„ ТТ,! > (&>)

* = Л**. _ \/_£. \

Ни \ И* Ны

К/ н ьс, С/ (20)

/< V- ¿'х - к* Нн К, + АГа НН

Задаваясь значениями.*/ от начального значе!гия/?/=АС до конач-юго//=0,можно рассчитать £ ; 1 , определить

интервалы времени 2. —

а ~ /с^г) /сУ г)

(¿¿Л-, ( ¿¿¿/и . и построить кинетическую кривую - изменения мощности осушенной зоны во времени.

Если константа первой стадии процесса, т.е. стадии перехода полностью насыщенной зоны грунтового потока о капиллярно насыщенную зону, является самой большой из констант Ка >/¿,>кх или меньпей относительно константы только второй стадии/с'х<к,<.к, инерционный период, т.е. период с переменной водоотдачей, растягивается на вся фазу снижения уровня грунтопых вод.

Необходимым условием существования периода с постоянной водоотдачей является малая величина константы скорости первой стадии по сравнению со зторой и третьей, причем, чем значительнее разница между ними, тем короче инерционный период. При малом к0 и большихи ^величина первого члена в уравнении (30)

. _ _ и:, с, К, \ /\

( Ни к, + Ни /г, ■* /о. - «<.) ( Нн )

У, У К, ко

. '/О. , ...

начиная с некоторого малого значения ¿/^установится пренебрежимо малой величиной и зависимостьот _А_ превращается на графиках в пряжа линии. При этом на оси ор;,инат отсекается отрезок ---Члъ , а на оси абс^сс - = 2««

-'брав из уравнений (29) и (30) пренебрежимо малые члих1 выразив Н через -У: . наедем

г'/.' _ . .•' ~ - \

I/ .-/ V ,СА •

"...^^.•-.'тне (31) ...... ;.. регулярного синения идентично

уравнение) (13'

-/л' " ( г: ^ -у

,цл: г;г:1-:!о;;о:) года, чогда возможны дождевые осадки, снеготаяние н -.-старение г дари с ; погня грунтошх г-од, модель г.р^ис-::ог;-тгпх г. з-н<? изменений уровня грунтов!пс вод превращений компонентов екссем: .чснс гредставить следук^еЛ системсй ураыге-- - -а

—-- - А' 2 ~ АГ, 'и/2 ->-К. 2 (Ъ - и) 2 «< - ^ 2 - (Ъ - и) г

Решение системы в виде зависимости

= ^ **г- - ;

^ ~ + К, + К, - Ка >

И, * Кл.

и Ао, К' _

К! + Кх. К, + /¿г. — к в

г - Пх к<с' ~ С*3-") , Нн* 7//

с* -¿г»--к,*.** + -цгт^гт^уНн

Модель изменения уровня грунтовых вод при переменной водоотдаче л переметом давлении достаточно полно для многих практических задач отражает закономермсти изменения логарифмической скорости, включая и инерционный период. Однако эта модель также не объясняет, почему максимальная логарифмическая скорость снижения уровня грунтовых вод для фазы регулярного снижения (конец, инерционного периода) остается практически постоянной в зимние безоттепельные периоды при значительном изменении запаса грунтовых вод на водосборе //¿в .

3 шестом разделе рассмотрены модели изменения уровня грунтовых вод при переменной водоотдаче, постоянном и переменном давлении, учитываете структуру капиллярной каймы.

При рассмотрении механизма процесса в предыдущем разделе предполагалось, что промежуточная зона капиллярного насыщения находятся под уровнем грунтовых вод. Это обусловило взаимодействие капиллярной каймы и/и зоны осушения 2 в уравнении, описывающем ' образование зоны осушения (величины ^/и ? входят в уравнение в ви де произведения). Однако в общем случаэ, капиллярная кайма может располагаться частично под уровнем, частично над уровнем или же только под уровнем и над уровнем.

Рассмотрим случай, когда вся капиллярная кайма полностью распределена в осушенном слоо, а ниже уровня грунтовых вод находится только зона полного насыщения грунта.

При таком допущении предположение о взаимодействии зонт.; капиллярной каймы и осушенного слоя является уже необоснованным, т.к. в этом случае преобладающим будет вертикальное перемещение влаги в капиллярных столбиках. Осушенный слой с влажностью //3 расположенный над капиллярной каймой до оси 0-0 взаимодействует так же,как и в модели четвертого раздела, только с зоной полного насыщения. Это значит, что в выражении уклона грунтового потока будет входить лишь мощность осушенного слоя над капиллярной каймой.

г 3 о

г

1

Рис.З. Схематизация стенания грунтовых вод с водосброрной площади при делении капиллярной кайда ня слой 3 с влажностью^ и равный ему слой^ с влажностью близкой к Г13 1,2,3,4,5 - смотреть рис.2.

При принятой согласно рис.3 схематизации капиллярной каймы, любое изменение насыщенной части капиллярной каймы V/ьнзыьаот адекватное изменение ео ссуяенной части 5 ■

В результате взаимодействия полностью осушенного слоя над яапиллнрной каЯиох У а г-рунтовыми водами образуется комплекс расаолон'^жшй над уровнем грунтовых вод, состоящий из капиллярно насыщенной части V/ и полностью осупечнп? части 5 , причем последняя а отличие от осушенного слоя У пл обладает способностью изакмодейстаоБать с грунтовым! вода:,м.

На второй стадии комплекс расп.-.дче?ся на две едини:?! осушенной зоны типа У , что можно предстчвкть как переход в одновременно капиллярно настенной частикомплекса и/5 и осу-пенной частя.

При постоянном давлении на уровне грунтовых вод предлага-

емая схема процесса выражается в виде:

И + У и/5 у

У

(34)

Взаимодействие осушенного слоя У предполагаемое схемой (34) с грунтовым потоком/7 в соответствии с законом Дарси и ура нениеы баланса выражается:

4М = - к, НУ (35)

о

В форцуле (Зь) уклон выражается отношением /¿_ и является переменной во времени величиной.

Движение влаги в капиллярной каГалс вырагаотся исхода: из зь кона Дзрси и уравнения баланса при постоянно.',; упоьме грунтовые вод формулой. ¿¿^ _ V/- ~

е/- V/ (36)

где к'с. - коэффициент влагопроводностк в капиллярной кьйме; £К - коэффициент водоотдачи при переходе от капиллярной каймы к осушенному слов; - всасывающее капиллярное дазленке. Расчеты по уравнению (36), кик показа,- Н.З. "архос и В.А. Барон, мо,*но проводить, приняв знаменатель

Влиянием всасывающего капиллярного давпе;гая пренебрегаем, г-огда уравнение (36) можно записать в виде:

= ^ ы (37)

Учитывая изменение во времени уровня грунтовых вод по формуле (35), получим

= , (зз)

Поскольку изменение мощности ссулекноГ. част;: С комплекс а V/, равно изменению мощности капиллярно насыщение:: части V.', можно записать:

(39>

Изменение расположенной над капиллярной кайлой зоны У модно описать уравнением:

¿¡^ = /<г. + ~ /< НУ (40)

Таким образом, процесс снижения уровня грунтовых вод п ос; шения вшерасположенного грунта по схеме (34) описывается сист< мой дифференциальных уравнений

^ 1л/V-^ 5 - А'/ = (41)

- АГ-, НУ

//

г = -/г,//у

истема уравнений (41) составлена для случая, когда капил-ярная кайма расположена над уровнем грунтовых вод (варианте , м.рис.З), однако, такое предположение может быть справедливым олько в частных случаях. Более реальным представляется факт,что ровень грунтовых вод проходит через среднос высоту капиллярной аймы, т.е.? я ¿/ + 5. Тагда система уравнений (41) принимает вод:

Откуда найден: ¿/-А, 2 о = = '

^ _ ....

^Г --к^ъв г

Уравнение (44) реаается численно.

Выражение для максимальной логарифмической скорости фазы ■егулярного снижения уровня получается таким:

При постоянных, характерных для каждой точки водосборной шсщади значениях*/ и /(^величина максимальной удельной скорости ¡зм^нения уровня зависит от начальной мощности зоны полного насыщения. Как. показали расчеты, при малой начальной мощности зоны голиого насыщения //, с £ ) ее увеличение сопровождается

п

эезким увеличением максимальной удельной скорости. При значитель-юй начальной мощности зоны полного насыщения ( /-/н >/¿7) !зменение еа в широких пределах практически не отражается на максимальной логариф-.змеской скорости изменения уровня. Именно этот 5лучаП и реализуется в действительности, поэтому в экспериментах мблюдается постоянствоНаа по годам. При значительных ко-иебаниях Н&а .начальная мощность зоны полного насыщения //уоста-5тся достаточно высокой.

С учетом вакуума модель (42) приникает вид:

«г* --26"

Откуда логарифмическая скорость

а!У _ *> (с, - г - <? (48)

¿/г Кхъа - к?г* " г

Числергное экспериментирование на ЭЕМ с моделью (46) выявило наличие незначительной нелинейности на нисходящей ветви зависимости ^^ " — У ¿2) . Причем, отклонение от прямой линии случается как вниз, так и вверх в зависимости от соотношений скоростных коэффициентов К,; Л^; и наблюдается вблизи от стационарного состояния для временной кривой, что подтверждается экспериментальными данными.

Система уравнений (45) проанализирована методами качественной теории дифференциальных уравнений на предает выяснения сколько стационарных состояний имеет система, как зависит характер устойчивости стационарных состояний от параметров системы, как ведет себя система вблизи стационарных состояний.

Анализировалось изменение исходного вещества системы -насыщенного слоя и продукта - осушенной зоны, приняв \*/-С,-Н~1 Для удобства система приведена к безразмерному виду:

^-Г^^АСС'-"-*)-^3- ' (49)

С-Ж --хнъ + НС,-и'*-

где „ г.... . а к*.. . и _ Ку

и<~ Н . з • г ' - С'

В системе (49).штрихи у безразмерных величин //, опущены.

Найдены три критические точки: ■ ' 2 -О ; Н - С. л. г н ~ с, - _

Характер устойчивости критических точек определяется по методу Ляпунова.

Особый интерес представляв'.! третья критическая точка, для которой корни характеристического уравнения

Л,Л -А 'ГЛ -/О^Г-* •¡■^чгф-^А}/'»

Обозначим С" = С, + ф -А ■*■ ¿М ; А - 4/М (О ^

Подкоренное выражение обозначим через Г.

В зависимости от значений переметров, входящих в корни характеристического уравнения, возможны следующие типы состояний равновесия.

I) -^г '»0 - седло-неустойчивый узел

2> ^ < т!г -

3) ^г = - седло

3)^0, Г-*- 0 - устойчивый фокус

0, д •<. 0, /"■< 0 - неустойчивый фокус 3)6"= 0, й<.0,Г-< 0 - центр.

Тагам образом, система (46) позволяет описывать возникновение дисашативних структур, о чем свидетельствует наличие особых точек типа неустойчивый фокус и центр, а также затухад^х колебаний (устс'^твый фокус). Самовозбуждающиеся колебания обоих .типов обнаружены нами в экспериментах.

Седьмой раздел "Практическое применение кинетических моделей" посвящен применению результатов исследования кинетических закономерностей для решения инженерных задач регулирования грунтового потока применительно к потребностям мелиорации и водного хозяйства.

Дан краткий анализ специфики и проблем регулирования грунтового потока путем устройства дренажа.

Построена модель изменения уровня грунтовых вод в теплю периоды года при постоянной водоотдачо, переменном давлении,учитывающая отток в дренаж:

где^о -£)'£: - скорость изменения уровня грунтовых вод за счет притока к дрене ил области, лежащей вызе уровня заложе- ' ния дрекм;

'Л,- общие фильтрационные сопротивления, учитывающие несоверпеи-

ство дрен по степени и характеру вскрытия пласта;

/Я^ - глубина заложения дрены относительно общей оси отсчета 0.

Выражение для логарифмической скорости изменения уровня:

Л* ( ■ ^(¿/ая+х*-) у 151

Если представить расчетные или экспериментальные данные в коор; натах Ф= + ~ ^\1 . то кинетические кривые преобразую-в прямую линию, отсекающую на оси ординат отрезок

(//„ = /_^ -а на оси абсцисс отрезок _ ^ -Ъ+и+Р.Х

Интегрирование уравнения (51) дает следующее аналитическое выр; жение для описания изменения уровня грунтовых вод во времени в теплые периоды года:

Если известны параметры обобщенной кинетики&ли ^Над** ) то> используя уравнение (53) можно предсказат изменение уровня грунтовых вод в любой момент.

На основе кинетических моделей можно рассчитать отдельные составляющие баланса грунтовых вод и определить на- основе тако расчета эффективность работы дренажа.

Отток грунтовых вод в водоприемник определяется по данным наблюдений в скважинах за зимний период (без оттепели), когда уровни грунтовых вод располагаются ниже отметки заложения дрен

_ _ ^Оо__,

~ ц - ^ //длть.

Чтобы определить в чистом виде подпитывание корнеобитаеыс слоя от грунтовых вод периоды наблюдений за уровнями должны бь бездождными, а уровни грунтовых вод располагаться ниже отметки заложения дрен. - (ын)

где <5~ - коэффициент водоотдачи ^

~ г«=» -О*'"ая+ю*

Я . . ***

2« =

¿в

~

Для расчетов составляющих водного баланса в теплые перио; года необходимо выделить сумму расхода грунтовых вод на испар« и инфильтрационного питания. Для этого используются данные за

теплые, дождливые период.: с уровнями грунтовых вод, залегает,¡ми ниже дрен. ^ = ^ ^, „- &'

"¿о

з — >>1 * /л, /Ура .ь.Наь-гИ-Ъ

Признаком того, что часть дождевых (или поливных) вод сбрасывается в грунтовые воды, является выполнение неравенства

В случае, когда

^и, Ила -н И -2) ^М&а

преобладает испарение.

Для расчета отток в дренаж нужны наблюдения за изменениями уровня грунтовых вод выше и ниже отметки заложения дрен.

Для теплого периода слой притекающей в дренаж вод| определяется по формуле: ^ - ~(мм) _ _

<~-ор - -СА/Л/да-хз*И*А4,Х.^Н

В ходе проверочных расчетов обнаружилось, что каждый осудительный канал, расположенный выше по течению грунтового потока, считая от водоприемника увеличивает суммарный скоростной коэффициент и влияние кмпого осушительного канала распространяется до водораздела.

Обычно осушение проводят в местностях, где отсутствуют длительные наблюдения за уровнями 1-рунтових вод, поэтому невозможно определить значения иарамзтроп2</, ,2сл. расчетной обеспеченности, необходимее для расчета дренажа, а значит невозможно запроектировать дрена* сразу для всей площади осузегая с учетом всех трс-Ооячннй сельского хозяйства.

Целесообразно работу проводить в насколько зтпгюп. Сначала на основе предпросктннх изысканий, включающих обязательное наблюдение по скпаг.ина:.' па уровнями грунтовых вод а т-зчелие 1-й лет, проектируется сборочная сеть проводшдих каналов и отдельных дрен, трассируя их поперек направления потока. По данному проекту выполняется строительство и проводятся в дальнзй^ом 2-3 года производственные исслецозлния работы осуоительноЯ сети, в ходе которых по излч?онноя вгти методике определяется скорости изменения уровня, стасль'?!о ссс"8!>л«!г/:ле водного баланса и намечаются площади, где »ссбх-^'лмо усилить или дополнить дрена* и проводил»« ка-

н.-,яч. Затем выполняется второй этап проектирования, строительс и прсчпводствешв.чс исследований, затем третий и т.д. Также по чпстям осуществляется и освоение площади в сельскохозяйственно] отношении.

Постепенное дорабатыванио, совершенствование осудительной сматем1' позволяет избежать перерасхода средств, точнее "нащупа' вариант системы оптимального регулирования водного режима.

"ппе рассматривались модели изменения уровня грунтовых во, при постоянной водоотдаче.

Если при построении графической зависимости ^ от ¿^обнаружится нелинейность только при начальных значениях И-£ в инерционный период, и никакие изменения не могут выправить эту нелинейность, то это значит, что расчеты по формулам постоянной водоотдачи вести нельзя и чтобы описать инерционный период, а та) же изменение толщины капиллярной каймы нужно переходить к формулам раздела 5:

^ =/<ToHi -К, -AS XC^-ZjZ-

Для решения системы (54) преобразуем её:

^ = JASl^lJ^f^,-<£iAiL--

Поскольку.за пределами инерционного периода рассматриваем: модель идентична более простой модели (51), можно, использовав правила идентификации параметров, разработанные для простой модели , определить параметры уравнений (55) и (56).

Влияние осужаемых земель на прилегающие неосушенные участки выявляется также на основе изучения составляющих водного баланса грунтовых вод (51).

Для нахождения параметра/%^1ужны наблюдения за один осенне-зимний безоттепельный и бездэждный период или один летш бездожднмй период, когда уровни грунтовых вод на начало период! находятся на глубине не менее 2,3-?.5 м. Скважина, по которой определяется величинаНй1Ъ ', должна находиться вне зоны

злияния дренажа (вблизи водоприе>лника) или уровни грунтовых вод а начало расчетного периода должны быть ниже глубины залохьын реп.

Если же, наоборот, скважина находится в зоне влияния дрет-1 и уровни не выходят за пределы глубины заложения дрен, п-фз-:труи, X , характеризующий влияние дрен, можно определить )' любому периоду года, как разность^/¿///оо ~~

(А, Н ак'*'И-Ъь) ■ Зная параметры и ^и, Ь/аь

1ходят результирующую (И-2Э ), Значение зимнего периода отдается от других периодов года. Зеличина2<>« для летного перио-> в скважине, находящейся в зоне влияния дренажа, определяется ) формуле:

= ' А //до._ (Ь7>

//-«а х " <? - 2 ^ „ у

Iе стационарное положение уровня грунтоггх вод,

изменяющееся под влиянием стекяния по водоупору,инфиль-)ации, испарения, оттока в дренаж.

Стационарное положение уровня,-обусловленное отеканием по >доупору, инфильтрацией и испарением находится по формуле: х - + И-

¿: с^и = -.-—-*-

с.+ и-'ъ ^-<1 /Удд

Величина слоя -".дп притекающей в дренаж, определяется по ■рмуле: Я^р - '/¿еИс + к-ъ ч-ъ2с ")

.е 'И:с-+и-тэ-+<ър и ¿(•^^-•ьнаходятся по пгаеприведеншч фор-лам данного раздела,-

Пространстгешаге депрессиогаые кривые рассчитываются на ос-ве модели (Ы), только проченная координата .^"заменяется про-ранствснпой вдоль склона ¿- . ¿.

Кинетические моде?:'.', дают возможность прогести анализ усло-й функ!у.снирогания су::,°ствугщой осу:21тель!!оЛ системы, опреде-ть элементы водного баланса грунтотх вод, нл основе чего слать заключение о нео^ходп'.псти реконструкции систем' и наметь конкрет-п.'е мероприятия по реконструкции. Такой аия.т.п был полнен ссу2.1тельнс-оросительной систе:.?! совхоза ""оскозий" Рязанской области.

Расс:.:отр'"-!!!'ыр ь д:;!П!ом разделе методы определения з;ю:..ентов

подного баланса грунтовых вод применим} и для воднобалансовых ра чегов при регулировании влажности почвы - для определения сброса инфильтрата в грунтовые воды и подпитывания корнеобитаемого слоя от грунтовых вод.

Скорость инфильтрации воды в почву можно выразить по закону Да реи следующей формулой: а

<Р= К ^ 7

2 - сила тяжести инфильтруюа;егося столба воды; // - равнодействующая сила поверхностного натяжения верхних и нижних капиллярных менисков;

Л - давление поверхностного слоя воды; к,- коэффициент влагопроводности.

Обычно при поливах предполагается, что впитывание воды происходит при единичном градиенте напора, т.е./^« О иА^ 0. Это возможно, если на поверхности не образуется слой воды. Однако многочисленные наблюдения показывают, что почти сразу же от начала полива в цикропонижениях обработки почвы образуются мельчайшие лужицн, прикрывающие сначала отдельные капиллярные мениски, потом их вдело растет. Вместе с этим растет градиент напора во времени в целом по системе, а значит, растет скорость ве тикального перемещения инфильтрующейся влаги. Количество впитывающейся воды в связи с уменьшением живого сечения потока с течением времени уменьшается. Таким образом, при впитывании воды с поверхности таете, как и для грунтовых: вод реализуется механизм, характерный для падающих тел.

втекающая из условия единичного градиента'напора формула для определения продолжительности работы дождевальных устройств на одной позиции не обеспечивает поливы без сброса в

грунтовые воды. Нами рекомендуется уменьшать рассчитанные полив-ш,ш нормы в среднем на 30-40$ н вести постоянный контроль за уровнями грунтовых вод, определяя величину сброса по кинетическ: моделям.

Особое значение приобретают вопросы точного определения ве личины подпитывания от грунтовых вод и сброса инфильтрата в гру товые воды при поливах сточными водами и животноводческими сток 1-м. Предложенные методы расчета на основе кинетических моделей более совершенные технические решения (дождевальные шлейфы и сп собн полива сточными родами по запахиваемым бороздам) способст-

ют повышению надежности охраны окружающей среды и более элективному использованию навозных стоков.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

1. Впервые выведено диффузионно-кинетическое уравнение реноса грунтовых вод, показана ограниченность только дийу-онного описания.

2. Создан новый класс математических моделей, определен-х уровней разрешения, описывающих в виде систем математичес-х уравнений, связанных через общие параметра, закономернос-

и взаимосвязь всех тех процессов, которые выявляются и зам рассматриваются как существенные.

3. Построению моделей предшествовало составление кинети-ских схем, отличительными особенностями которых являлось .зделение процесса на ряд этапов или состояний. Элемент сис-мы находясь в каждом из состояний в течении некоторого вре-:ни, зависящего от величины константы скорости перехода, за-¡м мгновенно переходит в последующее состояние, например:

У + /V £ у

1Кими же схемами описывается взаимодействие в химических :акциях и в микробиологическом синтезе. Таким образом,опре-¡ляются компоненты системы и характер их взаимодействий, ;ализуется системой подход, в отличии отимроко распростра-¡нного в расчетах уравнения Еуссинеска.

4. Получена система дифференциальных уравнений ( 46 ), сражающая уменьшение скорости прямого снижения уровня за

1ет стекания по водоупору и возрастание скорости возвратного >дъема уровня за счет вакуума, следствием чего является здтаержденний экспериментами экстремальный характер зависи-)сти общей скорости снижения уроьня во времени, а также 5 -Зразшй характер кинетической кривой накопления снижения зовня во времени. Модель объясняет постоянство козффици-чтапо годам, дкссипативные структуре, затухающие злебания и др.

5. Показано, что многие задачи мелиоративной практики эпаются с помощью более упрощенной математической модели, редполягающей, что вся капиллярная кайма осредненно находит-я под уровнем грунтовых вод и между ней и слоем осушения гуществляется взаимодействие через уклон грунтового потока

воды ( преобладающим является горизонтальное отекание влаги I капиллярной кайме) ( 28 ).

б. Многочисленные расчеты естественных депрессионных кр! вьтх показали, что часто продолжительность инерционного перио, бывает весьма малой так, что можно исключить из рассмотрения промежуточную стадию образования капиллярной каймы, сосредот! чить внимание на фазе регулярного снижения уровня, наступающей после окончания инерционного периода ( 12; 13; 14)

На основе выявленной закономерности изменения влажности почвы и недостатка насыщения в зависимости от всасывающего давления установлено, что вызывающий возвратный подъем уровня грунтовых вод, вакуум прямо пропорционален квадрату мощности зоны осушения. Модель позволяет наметить пути оптимиза ции условий снижения уровня грунтовых вод: рыхление, раствор ние кристалов солей в порах грунта, сгущение дренажа.

Построены модели для расчетов изменения уровня грун-:овых вод в теплые периоды года, когда возможны дождевые осадки или снеготаяние и испарение влаги. Показано, что поскольку слой осушаемого грунта в результате ухода грунтовых вод меняется во времени, то даже при постоянной интенсивност инфильтрации или испарения, пополнение или расходование вод будет неодинаковым во времени, поскольку слой влаги, идущей на восполнение влажности осушаемого слоя меняется во времен* Установлено, что слой пополнения ( или расходования) грунтовых вод прямо пропорционален достигнутой к данному моменту времени мощности осушенной зоны.

Модели, учитывающие непрерывные процессы поступления ш фильтрата и расходования влаги на испарение представлены сл< дующими уравнениями:

а) при постоянной водоотдаче ( 19 )

б) при переменной водоотдаче ( 32 ).

8. Впервые построены модели ( 51,54 ) изменения уровне: грунтовых вод с учетом оттока в дренаж при постоянной и пер менной водоотдаче позволяющие рассчитывать месторасположени дренажа в пространстве не на основе определяемых с большими погрешностями коэффициентов ф"'~ьтрации и водоотдачи, глубин залегания водоупора,- границ расположения подземных водосборов и др., а'на основе четких, точно определяемых по наблюдениям в смотровых скважинах обобщенных констант 2С;

Новый характер параметров и структуры моделей вносит ко-энные изменения в состав предпроектных гидрогеологических зысканий, порядок проектирования и строительства дренажа.

9. Эффективность решения вопросов мелиоративной практики помощью предлагаемых моделей обуславливается следующим:

а)Математические модели изменения уровня грунтовых вод тасывают систему водосбора как целое.

б)Уравнения математической модели содержат минимальное <сло экспериментально определяемых констант и параметров, мсдый из которых имеет вполне определенный физический смысл.

в)В математической модели в явном или неявном виде от-1же!!ы все процессы, управление которыми составляет сущность гхнологии мелиоративного воздействия.

г)Уравнения математической модели изменения уровня грун-эвых вод, характеризующие различные процессы системы, взаи-эсвязаны через обп^е параметры.

д)Математические модели обосновывают пути оптимизации эавления и регулирования процесса..

10. Полученные модели убедительно согласуются с результанта исследований кинетики химических и биологических процес-

з, подтверждая единство законов природы. Как и в этих науках эцесс снижения грунтовых вод осуществляется не просто путем шого перехода исходного вещества в продукты превращения, а нзчают одну или несколько промежуточных стадий." Общими яв-отся и экспериментальные факты и особенности процессов:' зрционный период, постоянство обобщенной константы ^Нлц, некция микроорганизмов, возвратный подъем уровня за счет «уума, возникновение диссипативных структур и затухающих пебаний и другое. Поэтому целесообразно рассматривать вопро-двйжения влаги с позиций физической, химической и биологи-;кой кинетики, успехи которой общеизвестны. С другой сторо-, исследования движения грунтовых вод с таких позиций могут эсти весомый вклад в синергетику.

II. Разработана методика осушения избыточно переувлажнен-с земель на основе технологии поэтапного проектирования, эоительства, производственного исследования работы дренажа моделям кинетики. На каждом этапе добавляются новые эле-1ты системы совершенствующие ее.

Методика внедрена в проектах осушительной сети в ложах прудов, предназначенных для разработки ила.

12. Составлены рекомендации использования кинетичесю моделей как инструмента анализа функционирования существую; мелиоративных систем с целью их реконструкции.

13. Разработаны рекомендации по прогнозу уровней и во, нобалансовым расчетам при регулировании влажности почвы на мелиоративных землях; на основе выявленного механизма движ ния поливной воды в почве по типу падающего тела предложен сокращение величины поливных норм.

14. Даны рекомендации по прогнозу изменения уровней грунтовых вод на прилегающих к осушительным системам земля с целью предотвращения нежелательных воздействий осушения среду.

15. Получено два авторских свидетельства и два положи тельных решения на дождевальные шлейфы и способы полива ,С1

ными водами, совершенствующими технику полива, уменьшающими угрозу загрязнения грунтовых вод.

16. На основе кинетических моделей и изобретений пре; жена технологическая схема подготовки и утилизации стоков

свиноводческих комплексов. Технология демонстрировалась 1 1989 г. на ВДНХ СССР и удостоена серебряной медали.

Частичное внедрение технологии на свинокомплексах с > сительными системами в совхозах "Туртапский" Нижегородско "Искра" Рязанской областей дает годовой экономический эф 175000 руб.

Технология предусматривает совершенствование извести к применение новых конструкций гидротехнических сооружени дождевальной техники, перераспределение в системе очистки компонентов сточных вод, оптимизация режимов работы аэрот ков, режима полива, осушения и др.

1?. Дальнейшие исследования должны идти б направлен« раскрытия кинетики накопления биомассы растений, построен кинетических моделей движения влаги в ненасыщенной почве других компонентов питательной среды, описания закономер!-?ей их потребления растениями и на такой научной основе конструирования оптимальных ¿дств регулирования процесс

- 37^

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах: Карта "Мелиорация". Атлас сельского хозяйства Чувашской АССР. /В.Ф.Василенков, С.В.Васильев, Н.Д.Демидов и др.М.Изд-во ГУГК, 1974,с.43.

Р-асиленков В.Ф., Золотов Р.Н. Мелиорация земель.-3 кн.В помощь . земледельцу Чувагсг:. Чебоксары.ЧуБашшпгояздат, 1976,с.27-42. Василенков В.З. .Ярдухпн B.C. Протавозрозпоикыз гидротехнические сооружения.- В кн. :В помощь земледельцу Чувакин. Чебоксары, Чуаашкнигоиздат, 1976, с.42-51.

Василенков В.О. Математическое описание процесса эрозии талыми водами распаханных склоновых водосборов.- В сб.:Промышленная теплотехника а гидравлика. Чебоксары, Чувашский госушверси-тет, 1978, с.56-65.

Василенков В.в. Некоторые вопроси математического моделирования эрозии. - В сб.¡Мелиорация земель в Нечерноземной зоне РСФСР. Горький, 1980, с.29-34.

Совершенствование методов эксплуатации мелиоративных систем Рязанской области: Отчет / Рязанский СХИ: Руководитель работы В.0.Василенков. Соавторы: М.Й.Натальчук, З.З.Лцсютина, В.А. Максимов и др. Р ГР 80042278; «нв.3 £969380. _ Рязань,I960,77 с. Анализ состояния использования мелиоративных систем в зоне осуяения и орошения РС5СР и разработка мероприятий по повыта-нию их эффективности: Отчет /Рязанский СХИ; руководитель работы В.Й.Васалеш эв. Соавторе: Н.Ф.Натальчук, В.А.Максимов и др. !> ГР 01820073987; Инв.З 02820060177.- Рязань, 1961, 44 с. Анализ состояния использования мелиоративных систем в зоне осушения и орошения РСФСР и разработка мероприятий по повьггешю их эффективности: Отчет / Рязанский СХИ; руководитель работа 3.8.Василенков. Соавтора: М.З.Натальчук, В.А.Максимов и др. 3 ГР 01820073987; Инв.З 0067716. - Рязань, 1982 , 65 с. Анализ состояния использования мелиоративных систем з цзнт-ральной части Нечерноземной зоны РСФСР и разработка мероприятий по пошЕвнип их эффективности: Отчет /Рязанский СХИ {руководитель работы В.'5.Василенков. Соавторы: М.'5.Натальчук, В.Л.Максимов. П ГР 0I840053I5; Инв.!?',0055915.-Рязань, 1903,47с.. . Василенков 3.0., Максимоз З.А. О создании польдерных систем в Рязанской области. - 3 сб. Мелиорация земель в Нечернозем-Горький, IS65, с.31-37.

- SS-

11. Вавилин В.Ф., Злсиленков В,S. Некоторые вопросы анализа в< доподачи при орошении. - В сб.Мелиорация земель в Ночсрпо: ной зоне FCîCP. Горький, 1985, с.49-51.

12. Засиленков B.C. Кинетические моделк движения грунтовых во; Отчет J? ГР 01860052184. Khb.JJ 02860051431,- Рязань, 1965,Z,

13. Анализ состояния использования мелиоративных систем в эон< осутсния и орошения РСФСР и разработка мероприятий по riosi шонию их эффективности. - В сб. :Рефзратов НИР и ОКР ВШМЦ сер.26, » 3, 1985, с.21.

14. Василенков B.C. Влияние некоторых территориальных различи! хозяйств на урояайность. - В сб.Мелиорация земель з Нечерноземной зону PCS&P. Горький, 1986,с.61_б4.

15. Разработать методику прогноза упорной грунтовых вод,предложить и внедрить оптимальную технику полива по отношению к загрязнению грунтовых под навозными стоками свинокошлв] Отчет /Рязанский СХИ: Руководитель работы Василенков B.S. Соавторы: В.й.Вавилкн, В.А.Максимос. I? Г? 018В0007231.Инз 02ВЬ0019690. - Рязань, I9S7, 52 с.

16. Кинетические модели движения грунтовых вод. - В сб.рсфарз-тов ШР и ОКР ШТИЦ, сер.26,î? Î.I937, с.13,

17. Разработать и внедрить мелиоративные система на поймзннш: н склоновых осада, повкшакцяо эффекты знаете гепрльзоаи::?:; мелиоративных эоыель в Нечерноземной зоне KJ6CP,I, Раэрабогать методику расчета дренажа на оенэткз шгсттсесю моделей. Отчет /Рязанский СХИ. Руководитель раб опт В.О.Бй. силенков. î.' ГР 01660029750; инв.Р 02880076312.-Гяздиь, 1968, 48 с.

Разработка методики прогноза уровней грунгосы;: вод. прс.№ жение и внедрение оптимальной техники поливп по отиоазгаг к загрязнению грунтошх под навозными стокшя; cisKiioirounjjOi са. - В сб.рефератов ШР и ОКР 1ШИЦ,сер.26,» ИД958,с.!

19. Еасиленков В.5. Изменение влакностк почвн п недостатка на-сыщення в зависимости от всасывающего давления.- В сб.Мелиорация п использование мелиорируемых земель в Кочерно'зе] ной зоне PCSCP.Горький, 1938,с".43-10.

Рекомендации по расчетам регулирования вдакпостп 'почг.:-.! пр: водосберегаащеР. технологий г..,лвоп в условиях Нсчорпозомн' зоны РСЗСР /М.й.Натальчук, В.О.Васцленков.З.В.Л^спткка î: , Рязань, 19оС, 2Ь с.