Введение к работе
Аісгуальность темы. Настоящая работа посвящена исследованию быстрого и неравномерного переноса флюидов через грунты естественного сложения в результате течения через так называемые предпочтительные проводящие пути (в дальнейшем ГТПП, от английского термина preferential flow paths). Имеющиеся данные, в том числе и полученные в настоящем исследовании, позволяют заключить, что структура пористой среды является одним из основополагающих факторов, определяющих течение через нее. Неоднородности, зоны более рыхлого фунта, трещины в подстилающей породе, разложившиеся и живые корни, норы и прочие следы активности животных могут быть потенциальными ППП. ГТПП могут переносить значительное количество флюидов без инфильтрации в основной массив грунта, что можно рассматривать и как положительный, и как негативный процесс.
Влияние ППП на течение флюидов через фунты было впервые отмечено более века назад. Тем не менее, ППП рассматривались как особенный случай течения вплоть до последнего времени, когда влияние ППП было признано и стало рассматриваться как обычное. Особое внимание явление ППП стало получать в последние 10-15 лет: появились специализированные журналы (например, Vadose Zone Journal) и секции на научных конференциях, посвященные этой теме.
Изучение фильтрации флюидов через фунты естественного сложения, в том числе через ППП, необходимо для решения ряда актуальных задач геофизики, гидрогеологии, геоэкологии, почвоведения: (1) оценки и расчета стока воды с водосборов, что позволяет определять гидрологические режимы в различном масштабе, оценивать сток в реки, доступность водных ресурсов и влияние на них изменений климата; (2) оценки риска наводнений за счет осадков или паводков, изменений климата; (3) устойчивости естественных и насыпных склонов, оценки риска инициации оползней за счет повышения порового давления, разжижения насыщенных водой слоев грунта; (4) оценки устойчивости различных сооружений, усадки грунтов под зданиями в различных гидрологических условиях; (5) оценки риска зафязнения водных ресурсов и подземных вод различными веществами, которые проникают с поверхности или из мест захоронений, и могут мигрировать на значительные глубины и расстояния; (6) определения идеальных оросительных условий в
сельском хозяйстве; (7) изучение переноса коллоидов через грунты и прочие геологические среды, что важно для понимания механизмов миграции адсорбированных загрязняющих веществ и микроорганизмов, процессов почвообразования; (8) решения общих проблем фильтрации в пористых средах. Происходящее в последние годы качественное улучшение методик исследования ППП (например, появление рентгеновской томографии для исследования трехмерной структуры почв и грунтов, разработка методов визуализации течений), позволило углубить наши знания об этом явлении. Стало ясно, что течение через ППП наблюдается не только в неоднородных и хорошо структурированных, но и в однородных грунтах. Несмотря на то, что в настоящее время накоплено большое количество свидетельств такого течения, физический механизм и многие аспекты течения через ППП до сих пор не ясны. Целью настоящей работы является выявление влияния ППП на перенос флюидов через естественные грунты склонов путем визуализации течения и разработка модели наблюдаемых явлений.
Для достижения целей работы были поставлены следующие основные задачи:
1) Проанализировать имеющиеся данные по течениям через ППП,
экспериментальным и модельным методам исследования ППП. Обобщить
современные представления об основных механизмах и закономерностях
течения через ППП, выявить достоинства и недостатки различных методик.
-
Разработать простую в применении и экономичную методику визуализации течения флюида через грунт естественного сложения и выявления ППП. Сравнить предложенный метод с существующими аналогами.
-
С использованием как новой методики, так и классических методов сбора образцов (с последующей обработкой в лаборатории), исапедовать фильтрацию, в том числе через ППП, в серии натурных экспериментов большого масштаба (на участках грунта размером насколько метров).
-
На основе данных, полученных при проведении натурных и лабораторных экспериментов, численно смоделировать фильтрацию флюида через грунт с учетом ППП без использования подгоночных параметров.
5) Сопоставить результаты расчетного и натурного экспериментов.
Достоверность научных положений и выводов обеспечивается
выполнением большого количества натурных и лабораторных экспериментов с использованием апробированных методик измерения; сравнением результатов, полученных в данной работе, со значительным объемом публикаций других
исследователей; теоретическими изысканиями и анализом как современных представлений, так и оригинальных результатов, полученных в настоящей работе. Модель, использовавшаяся для расчета, предварительно верифицировалась как по опубликованным данным, так и по задачам, имеющим известные аналитические решения. Научная новизна настоящей работы заключатся в следующем:
-
В качестве трассера течения в грунтах был предложен уранин, его основные свойства, включая взаимодействие с грунтом, были впервые определены для лесных грунтов. Было найдено, что, по сравнению с другими использующимися для окрашивающей трассировки веществами, уранин обладает наименьшим коэффициентом молярной адсорбции, что позволяет точнее определять его концентрацию в более широком диапазоне значений.
-
Показано, что в некоторых случаях отказ от использования источника света с длиной волны, соответствующей максимуму возбуждения флуоресценции, может существенно расширить диапазон и повысить точность измеряемых концентраций, в том числе за счет снижения отражения от профиля грунта.
-
Разработан и апробирован новый, экономичный и легкий в применении метод определения концентраций флуоресцентного трассера в профиле грунта на основе цифровой фотографии.
-
Предложенный метод калибровки in situ позволил значительно упростить процедуру калибровки и повысить точность определения концентраций трассера; этот метод может использоваться и с обычными красителями.
5) Получена оценка влияния адсорбции флуоресцентного красителя на
интенсивность флюоресценции (не более 15%). Таким образом, показано, что
учет адсорбции является обязательным условием при проведении процедур
калибровки и определения концентраций трассера. В работе сделана первая
попытка объяснения явления тушения флуоресценции в грунтах на основе
теории органо-минеральных гелей.
6) Впервые визуализация фильтрации флюида в грунте лесного склона была
выполнена для крупного участка грунта (более 2 м).
7) Неравномерность фронта распространения жидкости в отсутствие
классических ППП было объяснено наличием зон с различными
проницаемостями, связанными и не связанными друг с другом, показано, что
фильтрационные свойства участка фунта могут быть рассчитаны методами
теории перколяции. Предложен новый метод моделирования продвижения
такого фронта, основанный на использовании случайного пространственного
распределения коэффициентов фильтрации в соответствии с экспериментально полученной плотностью распределения данной величины.
8) Впервые проведен анализ пористой структуры российских почв и грунтов с
помощью рентгеновской томографии.
9) Впервые в экспериментах с окрашивающим трассером была показана
значимость течения через биомат (подложку), которое может переносить
потоки флюидов на значительные расстояния вниз по склону до инфильтрации
в более глубокие слои грунта (в наших экспериментах - до 0.5 м), и таким
образом, может считаться отдельным типом ППП.
Личный вклад автора. Автор принимал непосредственное участие в: (1) постановке цели и задач исследований; (2) обзоре литературы по тематике исследования, сборе и анализе данных, полученных другими исследователями; (3) разработке и реализации методов обработки данных и их представления; (4) проведении всех лабораторных и натурных экспериментов; (5) разработке модели и выполнении всех аналитических вычислений; (6) анализе полученных экспериментальных и модельных результатов, суммировании всех полученных результатов и выводов.
Научная значимость работы состоит в обосновании того факта, что в грунтах естественного сложения могут находится ППП, отличные от классических, в том числе биомат и неоднородности различных (с характерными размерами менее мм) масштабов. Найдено, что наличие зоны с высокой проницаемостью отнюдь не гарантирует интенсивную фильтрацию через нее. Показано, что путем разделения домена грунта на участки с различными свойствами теоретически можно описать неоднородное течение флюида, однако, остается неясным влияние неустойчивости фронта распространения. Предложен эксперимент, направленный на устранение такой неопределенности.
Практическая ценность данного исследования состоит в разработке эффективной методики исследования течений в почвах и грунтах, в том числе через ППП. Полученные трехмерные визуализации для пяти натурных экспериментов могут быть использованы для верификации моделей влаго- и массопереноса. Разработанный метод моделирования, в том числе модифицированный или дополненный в будущем, может быть использован для оценки проникновения флюидов, в том числе содержащих поллютанты, для оценки гидрофизических свойств почвы при орошении, оценки риска
инициации оползней за счет повышения порового давления, разжижения насыщенных водой слоев грунта и т.п. На защиту выносится:
1) Новая методика визуализации течения флуоресцентного трассера (в том
числе через ППП) и определения концентраций трассера в профиле грунта,
включающая в себя: предложенный и апробированный трассер уранин,
разработанные основные критерии отбора флуоресцентного трассера, новая и
простая методика калибровки in situ зависимости сигнала флуоресценции от
концентрации красителя, методики квантификации и обработки сигнала
флуоресценции.
-
Результаты пяти полевых экспериментов с течением раствора трассера через блоки грунта (с характерным размером нескольких м) на лесных склонах, в том числе квази- трехмерные визуализации течения, определения концентраций трассера для всех профилей в одном из экспериментов, анализ результатов с учетом лабораторных данных коэффициента фильтрации ненарушенных образцов грунта, взятых во время проведения натурных изысканий. Результаты изучения структуры грунтов с помощью рентгеновской микротомографии.
-
Метод численного моделирования протекания флюида через блок грунта на склоне, основанный на уравнениях Ричардса и адвекции-дисперсии (с учетом адсорбции) и случайного распределения коэффициентов фильтрации для участков исследуемого блока грунта.
Апробация работы. Работа выполнена в рамках обучения в очной аспирантуре ИДГ РАН по специальности 25.00.10 и стажировки в Киотском Университете по программе Monbukagakusyo МЕХТ. Представленные в диссертации результаты докладывались на четырех научных конференциях: Disaster Prevention Research Institute Annual Meeting 2008 (23-24 февраля 2008 года, г. Киото, Япония), Экология: синтез естественнонаучного, технического и гуманитарного знания (Саратов, 19-22 октября 2010 года), конференции молодых специалистов, посвященной 50-ти летию НПО "Тайфун" (24-26 ноября, 2010 г., г. Обнинск, ГУ НПО "Тайфун"), European Geophysical Union General Assembly 2011 (3-8 апреля 2011 года, г. Вена, Австрия). Основные положения работы обсуждались на семинарах ИДГ РАН (2005, 2007, 2008, 2010 гг.), геофизических семинарах Geohazard Division Киотского Университета (2006-2008), JSPS семинарах проф. Макото Тани в Киотском Университете (2008 г.). По материалам, вошедшим в состав диссертации, были
опубликованы 15 научных работ, из которых 14 написаны в соавторстве.
Личный вклад соискателя во все работы, выполненные в соавторстве, был существенным, а в большинстве случаях - основным.
Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, и приложения, изложенных на uJ> 2 страницах, включая -^^исунков, \%> таблиц и список литературы из Ъ*$0 наименований.
Благодарности. Автор выражает глубокую благодарность проф. Рою Сайдлу, Сиро Накая, док. Голамрезе Шоаэю, док. Даниэлю Волди, Гохбану Ю.М. за помощь в проведении полевых и лабораторных экспериментов; док. Ёмэй Токуда за помощь в проведении экспериментов по адсорбции; Д.В. Коросту за помощь в получении томографических снимков, проф. Ёко Тосинобу за предоставление оборудования для химических опытов; проф. Сирафудзи за предоставленную лицензионную версию FlexPDE; проф. Рою Сайдлу, проф. Киничиро Косуги, доц. М.Н. Герке, д.с.-х.н. Е.Б. Скворцовой, д.б.н. Г.Н. Федотову, д.г.-м.н. СП. Позднякову, и с.н.с. Е.В.Зенченко за обсуждения работы, д.ф.-м.н. СБ. Турунтаеву, проф. Е.В. Шеину, к.г.-м.н. А.Л.Строму, к.г.н. Э.М. Горбуновой, д.г.н. Б.И. Гарцману, и к.г.н. Т.С Губаревой за комментирование текста диссертации, а также всем сотрудникам лабораторий Геомеханики и флюидодинамики ИДГ РАН и Slope Conservation Section Киотского Университета за содействие на всех стадиях выполнения работы.
Работы были выполнены при поддержке Monbukagakusyo МЕХТ Programm, исследовательской программы Japan Science and Technology Agency (JSPS) CREST Project, JSPS гранта проф. Макото Тани, проектов РФФИ 07-05-00722а, 10-05-00638а, 10-04-00353а.
