Исследование направленности вертикального водобмена

В условиях квазистационарного влагопереноса на основе уравнения можно оценить направленность вертикального водооб­мена. Такие условия возникают, когда приток к поверхности грунто­вых вод при значительной глубине их залегания компенсируется от­током к дренам. Запишем уравнение:

Как видно из уравнения , распределение влажности по вы­соте над уровнем грунтовых вод определяется характеристиками по­род зоны аэрации и зависит от интенсивности потока влаги V_z. Рассмотрим три случая распределения влажности по высоте в однородной зоне аэрации. Они показаны на рисунке ниже,где кривые построены в координатах βψ—β_z при различном соотношении V_z/к_в :

Исследование направленности вертикального водообмена анализом графиков распределения величины высоты всасывания и влажности над уровнем грунтовых вод

1)V_z = 0, поток влаги отсутствует, из формулы dψ= dz и ψ= z, т. е. имеем равновесное распределение влажности, потенциал влаги равен высоте положения точки над уровнем грун­товых вод;

2)V_z>0, из выражения, следовательно, наблюдается восходящий поток V_в влаги с уровня грунтовых вод в зону аэрации и к поверхности земли, что отвечает процессу испарения грунтовых вод в зону аэрации;

3)V_z<0, соз­дает нисходящий поток V_н влаги к уровню грунтовых вод и отвечает процессу их питания за счет инфильтрации осадков и поливных вод.

Зная зависимость ψ(z), можно построить графики распределения влажности при изменении интенсивности расхода и направления по­тока. На рисунке выше показан такой график, начало оси z принято на уровне грунтовых вод. Имеем равновесную кривую распределения влажности, при нисходящем потоке влаги эпюры влажности располагаются пра­вее равновесной кривой, а при восходящем — левее ее. Впервые на­правленность влагообмена с атмосферой анализом эпюр влажности исследовал Н. В. Чубаров, который разработал для этого специаль­ные палетки влажности. Однако этот способ требует высокой точности определения влажности. Надежнее использовать зависимость ψ(z). При неоднородном строении зоны аэрации каждый слой характери­зуется своей зависимостью ψ(0), и поэтому на границе слоев наблю­дается скачок влажности (по горизонтали). При этом значение ψ для каждого слоя зависит от к(ψ)этого слоя, что следует из уравнения неразрывности потока влаги, которое согласно выражению имеет вид:

Зависимость ψ можно получить, если известно распределение влажности в капиллярной зоне при отсутствии в ней движения влаги.

Такие условия наблюдаются при глубоком залегании уровня грунто­вых вод. В этом случае высота точки над уровнем соответствует ве­личине всасывающего давления, т. е. z=ψ, и искомая зависимость строится путем непосредственного измерения влажности по высоте капиллярной зоны. Аналогичным образом такая зависимость может быть получена в лаборатории методом высоких колонн при квазистационарном распределении капиллярной влажности.

В общем случае высота z, для которой характерно значение ψ, определяется из уравнения численным интегрированием при известной зависимости к_ъψ с использованием АВМ или ЭЦВМ.

Схемы для определения границы,разделяющей нисходящую и восходящую инфильтрации и коэффициента влагопереноса численным методом

где 1-4-распределение влаги после полива;5-то-же до полива;6,7-зоны восходящего и нисходящего потоков.

При известной зависимости θ(ψ) и наличии синхронных профилей влажности, характеризующих изменение θ(z) на разные моменты времени в данной точке, можно решить такие задачи: а) найти гра­ницу, разделяющую нисходящий и восходящий потоки; б) определить к_в. Синхронные профили влажности получают, например, по резуль­татам искусственного промачивания пород в зоне аэрации (методом налива в котлован или в целик породы в шурфе) или строят поданным наблюдений на специальных участках за режимом влажности в ес­тественных условиях или при орошении.