Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Физическое моделирование процессов миграции, морозного пучения и инфильтрации влаги в промерзающих и оттаивающих почвах и грунтах 6
1.1. Современное состояние вопросов тепло-влагопереноса в промерзающих почвах и грунтах 6
1.2 Установки для экспериментального исследования процессов тепловлагопереноса в почвах 13
1.3 Теоретические основы и выбор оптимальных условий измерения плотности и влажности почв методом гаммаскопии 19
1.4. Результаты экспериментов по физическому моделированию процессов миграции и инфильтрации влаги в промерзающих и оттаивающих почвах 23.
1.5. Результаты экспериментов по исследованию морозного пучения водонасыщенных грунтов 44
ГЛАВА 2. Определение водно-и теплофизических характеристик талых и мерзлых почв 78
2.1. Определение основной гидрофизической характеристики талых и мерзлых почв 78
2.2. Определение коэффициентов влагопроводности талых и мерзлых почв 94
2.3. Использование преобразований подобия для определения воднофизических характеристик почв 111
2.4. Определение коэффициентов теплопроводности талых и мерзлых почв по данным об их воднофизических свойствах 118
3.4. Определение содержания незамерзшей влаги в мерзлых почвах 123
ГЛАВА 3. Математическое моделирование процессов тепло-массо-переноса в промерзающих и оттаивающих почвах 130
3.1. Исходные уравнения и параметры математической модели миграции и инфильтрации в талых и мёрзлых почвах 130
3.2. Алгоритм численной реализации модели 135
3.3. Результаты численных экспериментов по моделированию процесса миграции влаги в промерзающих почвах 140
3.4. Результаты численных экспериментов по моделированию процесса инфильтрации в талых и мёрзлых почвах 146
3.5. Математическое моделирование процессов тепло- и массопереноса в мёрзлых почвах при их взаимодействии с растворами солей 160
3.5.1 Основные характеристики тепло- и массопереноса в засоленных почвах 164
3.5.2. Результаты расчёта процессов взаимодействия мёрзлого грунта с раствором соли 166
ГЛАВА 4. Математическое моделирование суммарного испарения 177
4.1. Радиационный баланс растительного покрова и поверхности почвы 179
4.2. Характеристики турбулентного тепло-массообмена в системе почва-растительный покров-атмосфера 183
4.3. Характеристики тепло-и влагообмена почвенного покрова 188
4.4. Водные свойства растений 190
4.5. Алгоритм реализации модели испарения 200
4.6. Тестирование модели испарения 203
4.7. Численные эксперименты по оценке влияния различных факторов на величину испарения 207
ГЛАВА 5. Математическое моделирование формировния и таяния снежного покрова 226
5.1 Исходные уравнения модели 227
5.2 Физические свойства снежного покрова 227
5.3. Алгоритм численной реализации модели 235
5.4 Результаты численных экспериментов 238
Заключение 248
Список литературы 251
- Теоретические основы и выбор оптимальных условий измерения плотности и влажности почв методом гаммаскопии
- Использование преобразований подобия для определения воднофизических характеристик почв
- Математическое моделирование процессов тепло- и массопереноса в мёрзлых почвах при их взаимодействии с растворами солей
- Характеристики турбулентного тепло-массообмена в системе почва-растительный покров-атмосфера
Введение к работе
Вопросы тепло-влагопереноса в почвах, грунтах и снежном покрове являются фундаментальными при решении многих задач гидрологии, агрофизики, гляциологии, экологии, строительной физики и других областей науки. Сложное взаимодействие потоков тепла в почво-грунтах и снежном покрове обуславливает протекание процессов инфильтрации, миграции и морозного пучения, испарения и транспирации, метоморфизма и снеготаяния.
Водный и тепловой режимы почв и снега в зимний и весенний периоды в значительной степени определяют характеристики весеннего половодья. Развитие методов прогноза этого довольно опасного явления природы не мыслимо без глубоких исследований процессов снеготаяния и поглощения талых вод речными бассейнами . Процессы тепло-влагопереноса определяют дождевой сток и испарение. Эти составляющие являются основными в структуре водного баланса больших и малых территорий и тесно связаны с водохозяйственной деятельностью и проблемами гидрологических расчетов.
Вопросы теплового и водного режима корнеобитаемого слоя почвы, процессов испарения и транспирации имеют важное значения для сельского хозяйства. Данные процессы определяют условия перезимовки и произрастания сельскохозяйственных культур. Велика роль миграции и инфильтрации влаги в формировании продуктивных запасов влаги на сельскохозяйственных полях.
Методы расчета зимнего перераспределения тепла и влаги широко используются при строительстве дорог и аэродромов, возведении фундаментов и оснований .прокладке нефте- и газопроводов. В настоящее время, когда ведется крупномасштабное освоение природных ресурсов Севера России, большую актуальность приобретают работы по совершенствованию существующих и созданию новых методов расчета характеристик морозного пучения, взаимодействия мерзлых грунтов с растворами солей. Последнее связано с широким распространением мерзлых засоленных грунтов на Севере России и Якутии. Решение данной задачи позволит более успешно вести борьбу с отрицательными последствиями криогенных явлений в грунтах.
Для решения всех этих важных народнохозяйственных задач необходимы надежные методы расчета водного и теплового режима почво-грунтов и снежного покрова учитывающие динамику естественных природных процессов в течение года и действие антропогенных факторов.
Целью диссертации является комплексная разработка и обоснование физико-математических методов расчета характеристик вертикального водного и теплового режима почв, фунтов и снежного покрова в течение природного годового цикла, как базовых методов гидрологии, агрофизики, экологии и др. наук о природе. При этом основные задачи работы сводились к следующему:
- созданию экспериментальной базы для физического моделирования и исследования процессов тепло-влагопереноса в почво-грунтах и снежном покрове;
исследованию основных закономерностей переноса тепла и влаги в процессах промерзания, оттаивания, инфильтрации, испарения, снеготаяния.
обобщению водно- и теплофизических свойств почво-грунтов и снега;
выбору и обоснованию исходных уравнений для описания процессов тепло-влагопереноса в почво-грунтах и снежном покрове с распределенными по глубине свойствами;
разработке алгоритмов и созданию программ для реализации математических моделей на ЭВМ;
проверке разработанных моделей на адекватность описания природных процессов и чувствительность к точности задания исходной информации.
Учитывая сложность поставленной задачи, при решении ее был использован комплексный подход, включающий в себя лабораторные исследования процессов миграции, морозного пучения и инфильтрации влаги ( глава 1 ), экспериментальные определения и теоретические обобщения тепловых и водных свойств талых и мерзлых почв и грунтов (глава 2 ), разработку математических моделей миграции и инфильтрации ( глава 3 ), суммарного испарения ( глава 4 ), процессов формирования и таяния снежного покрова (глава 5).
Физическое моделирование процессов миграции и инфильтрации влаги, а также морозного пучения в промерзающих и оттаивающих почвах и грунтах является важнейшим этапом решения задач, связанных с расчетами теплового и водного режима почв в зимний и весенний периоды. Лишь на этом этапе исследований можно получить детальную информацию о динамике профилей температуры, влажности и плотности почв и грунтов в ходе промерзания, оттаивания и инфильтрации. В дальнейшем полученные результаты могут быть использованы для уточнения того или иного механизма миграции влаги, для оценки макроскопических закономерностей поведения воды в почвах в зависимости от различных факторов, а также стать основой для сопоставления результатов физического и математического моделирования.
Для решения задач, связанных с моделированием процессов переноса тепла, влаги и солей в почвах, грунтах и снежном покрове нами на вооружение были приняты методы математической физики, а именно описание этих процессов с помощью дифференциальных уравнений тепловлагопере-носа в капиллярнопористых средах и численная реализация их на ЭВМ.
Слабое внедрение методов математического моделирования в практику гидрологических расчетов отдельных составляющих водного и теплового баланса естественных и преобразованных водосборов связано не только со сложностью реализации дифференциальных уравнений тепло-влагопереноса, но и с отсутствием надежной информации об основных параметрах этих уравнений. К таким параметрам относятся потенциал почвенной влаги , коэффициенты влагопроводности и теплопроводности, а также содержание незамерзшей влаги в мерзлых почвах и грунтах. Нами были выполнены экспериментальные определения малоизученных свойств мерзлых почв и грунтов , а также проведены широкие обобщения их свойств в талом состоянии.
Теоретические основы и выбор оптимальных условий измерения плотности и влажности почв методом гаммаскопии
Физическое моделирование процессов миграции и инфильтрации влаги в промерзающих и оттаивающих почвах проводилось на установке, конструкция которой изображена на рис. 1.1 . Установка состоит из камеры ( 18 ), в которой устанавливается монолит почвы ( 17 ),систем регулирования уровня грунтовых вод и температуры на верхнем и нижнем торцах монолита, а также приборов регистрации влажности, температуры и потока влаги мигрирующей при промерзании и инфильтрации. В зависимости от условий проведения опытов, а также от макроструктуры почвы использовались однотипные камеры с монолитами почвы диаметром 15, 30 и 50 см. Камеры состоят из двух полуцилиндров высотой 120 см, которые крепятся между собой болтами. Полуцилиндры по вертикали имеют ряд закрывающихся люков, служащих для контрольного отбора образцов почвы на влажность и отверстий для установки датчиков температуры. Температура в теле монолита измеряется термопарами ( 16 ), расположенными по вертикали на расстоянии 5 см друг от друга и 10 см от стенки камеры. Камера устанавливается на поддон с несущей решеткой и обратным фильтром. В поддоне расположен патрубок для подачи воды и монолит.
Патрубок при помощи трубопровода соединен с системой регулирования уровня воды в монолите, которая состоит из измерительной ( 29 ) и промежуточной (27 ) емкостей, электромагнитного клапана ( 28 ), позиционных датчиков и блока автоматики. При понижении уровня воды в монолите снижается и уровень в промежуточной емкости, что приводит к размыканию электрической цепи между позиционными иглами датчика. Блок автоматики срабатывает и включает электромагнитный клапан, посредством которого подается вода из измерительной в промежуточную емкость. Оттуда она поступает снизу в монолит и мигрирует к фронту промерзания. Объем поступившей в промежуточную емкость воды измеряется при помощи калиброванного мерного устройства перед началом проведения опытов.
Фиксация уровня воды в монолите производится по специальному водомерному стеклу ( 15 ). Соотношение площадей поперечного сечения измерительной емкости и монолита почвы подобрано таким образом, что объем воды, расходуемой на миграцию, измеряется с точностью +0.01 мм слоя.
Описанное подпитывающее устройство используется также, при проведении опытов по инфильтрации талой влаги. В этом случае, с помощью его поддерживается постоянным слой воды на поверхности почвы и регистрируется количество впитавшейся влаги.
Камера с монолитом почвы и поддоном устанавливается между верхним ( 9 ) и нижним ( 25 ) термостатами. Термостаты представляют собой две соос-ные емкости, промежуток между которыми заполнен пенопластом ( 13 ), а внутренняя емкость залита антифризом ( 14 ). Охлаждение антифриза осуществляется путем прохождения по змеевику ( 12 ) хладоносителя. Термостати-рующие устройства снабжены электромешалкой (11), нагревателем, регулирующим ( 10 ) и контрольным ( 33 ) термометрами. Хладоноситель охлаждается с помощью двух фреоновых холодильных агрегатов ФАК-1.5 ( 26 ). При понижении температуры антифриза ниже заданной подается сигнал от регулирующего электроконтактного термометра, срабатывает блок автоматики и включается нагреватель, который подогревает жидкость до заданной температуры. После этого нагреватель отключается и весь цикл регулирования повторяется вновь. Термостатирование позволяет поддерживать заданную температуру антифриза в диапазоне от +20 до -25 С с погрешностью 0.1 С.
Для уменьшения потоков тепла через боковую поверхность монолита почвы, используется теплозащита из пенопласта ( 20 ), армированного дюралевыми стрежнями ( 21 ), имеющими тепловой контакт с верхним и нижним термостатами. Это позволяет охлаждать теплоизоляцию и тем самым уменьшать боковые температурные градиенты в процессе промерзания почвы.
Контроль за влажностью почвы в процессе опыта осуществляется с помощью устройства для горизонтального гамма-просвечивания, которое состоит из соединенных металлическими дугами ( 32 ) блоков источника цезия-137 (Cs-137) ( 6 ) и сцинтилляционного детектора ( 23 ), помещенных в свинцовые контейнеры с соосными коллимационными отверстиями. Данное устройство перемещается по вертикали относительно монолита почвы с помощью дистанционно управляемых электродвигателей.
Расстояние от верхнего среза монолита до горизонта, на котором регистрируется влажность, осуществляется с помощью реохордного датчика, являющегося плечом моста сопротивлений. Сопротивление обмотки датчика изменяется при перемещении устройства. Сигнал с моста подается на цифровой вольтметр.
Предусмотрена также возможность непрерывной записи профиля влажности на двухкоординатный самописец ПДП4-002. При этом самописец одновременно регистрирует координату горизонта, на котором измеряется влажность и интенсивность гамма-излучения, информация о которой поступает с комплекса аппаратуры ЭВУ-1-4. Непрерывное перемещение устройства гамма-просвечивания вдоль монолита почвы осуществляется со скоростью, регулируемой в диапазоне от 2.5 до 300 см/час. Регулировка скорости производится с помощью специального редуктора. Основные технические характеристики установки для исследования процессов миграции и инфильтрации влаги следующие. 1. Диапазон рабочих температур на торцах монолита -25 - 20 С. 2. Погрешность термостатирования рабочей жидкости в термостатах ±0.1 С. 3. Наибольшая высота монолита почвы -1.2 м. 4. Наибольшая площадь поперечного сечения монолита почвы - 0.2 м2. 5. Амплитуда изменения уровня грунтовых вод в монолите 0-1.2 м. 6. Погрешность измерения влажности - 0.01 долей объема. 7. Погрешность измерения температуры почвы - 0.01 С. 8. Погрешность измерения количества воды, расходуемой на подпитку монолита - 0.01 мм слоя. 9. Погрешность регистрации вертикальной координаты - 0.2см. Для исследования процесса пучения промерзающих грунтов различного механического состава, была разработана и изготовлена специальная установка, схематическое изображение которой приведено на рис. 1.2 . Собственно установка состоит из камеры с грунтом (14), систем задания температуры на верхнем и нижнем торцах грунта, системы задания внешней нагрузки, а также приборов регистрации влажности, температуры, объема влаги впитавшегося или вытесненного в процессе промерзания, а также вертикальных перемещений поверхности грунта при пучении или усадке. Камера с грунтом устанавливается на поддон с несущей решеткой и обратным фильтром (16). В поддоне расположен патрубок для подачи воды в грунт. Фиксация уровня воды в колонке и измерение объема мигрирующей влаги осуществляется с помощью измерительной бюретки.
Задание температуры на торцах колонки с грунтом осуществляется верхней (13) и нижней (17) металлическими емкостями, заполненными циркулирующим антифризом, который по трубопроводам (26) с помощью насосов подается из термостатов (27). Охлаждение антифриза в термостатах осуществляется с помощью холодильных агрегатов ФАК-1.5. Задание и стабилизация необходимой температуры производится специальной системой, состоящей из нагревателя, электроконтактного термометра и электронного блока автоматического включения и отключения нагревателя. Для уменьшения потока тепла через боковую поверхность камеры с грунтов используется теплозащита из пенопласта (9), толщиной 15 см.
Внешнее давление на поверхность грунта задавалось с помощью специальной системы, состоящей из коромысла (12), двух тяг (18) и рычажного устройства (19, 20, 21, 22). Отношение плеч рычага 1:10. Давление на поверхность грунта передавалось с помощью верхней термостатной емкости (13), которая двигалась, как поршень, между стенками контейнера. Зазор между стенками и емкостью составлял не более 1 мм.
Использование преобразований подобия для определения воднофизических характеристик почв
Особенно ярко этот эффект наблюдается на начальной стадии промерзания, когда температура грунта не достигла отрицательных температур. В этот период наблюдается довольно интенсивное впитывание влаги. Так в опыте № 1, в течение первых пяти часов после начала, впиталось 9 .см3 влаги, а в опыте № 3, соответственно 4 см3. На завершающей стадии опытов объем вытесненной влаги, как правило, соответствует увеличению объема за счет замерзания воды. В опыте № 3, с 42 до 72 часов после начала, было вытеснено 5.4см3 влаги. За этот же период времени колонка с песком промерзла примерно на 1.5 см. Расчет по формуле ( 1.40 ) дает увеличение объема на 5.7см3, то есть наблюдается баланс этих двух величин. Объясняется это тем, что в конце опытов температурное поле грунта близко к стационарному, то есть не происходит его интенсивное охлаждение, и объем внутрипорового воздуха практически не меняется.
Наличием защемленного воздуха объясняется и колебание уровня грунтовых вод в опыте № 2. Как уже отмечалось нами выше, эти колебания коррелируют с колебаниями атмосферного давления. То, что этому факту мы уделили значительное место в данной работе, можно объяснить важностью его при интерпретации результатов по исследованию миграции влаги в водонасыщен-ных грунтах. Особенно это важно в тех случаях, когда нет наблюдений за динамикой плотности и влажности грунта. Для того, чтобы избежать присутствия защемленного воздуха, колонку с грунтом необходимо насыщать влагой в вакуумной камере, что конечно усложняет методику проведения опытов, но при необходимости вполне осуществимо. Уменьшает количество защемленного воздуха и работа с колонками малого размера. Однако это ограничивает возможности экспериментальных исследований в условиях, приближенных к природным.
Вернемся к наблюдаемому нами факту отсутствия миграции влаги в во-донасыщенном песке. В предыдущих наших исследованиях, а также в работе Чистотинова [118] было показано, что в песках процесс миграции развивается довольно интенсивно. Однако, в прежних опытах использовался песок с влажностью, далекой от полного насыщения. При увеличении же влажности процесс миграции затухал. Чистотинов объяснял этот факт тем, что с увеличением влажности и, соответственно льдистости грунта, перекрываются пути для миграции влаги. Мы же объясняли это явление преимущественным наличием в песках капиллярного механизма миграции, в соответствии с которым при возрастании влажности увеличивается эффективный радиус пор, заполненных влагой, что приводит к уменьшению давления пучения на границе талой и мерзлой зон [ 1 ]. Нельзя видимо, и не учитывать кристаллизационно-пленочный механизм миграции влаги, при развитии которого необходима свободная поверхность льда с квазижидкой пленкой на ней. Таким образом, дать однозначное объяснение этому явлению мы пока затрудняемся.
Опыт проводился на колонке с грунтом высотой 35 см и диаметром 12 см. Уровень грунтовых вод совпадал с уровнем поверхности грунта. Величина нагрузки на поверхность составляла 0.03 кг/см2. Опыт продолжался 264 часа. Глубина промерзания супеси составила 16 см. Зафиксировано пучение грунта в первые 5 часов после начала опыта, величина которого составила 0.33 мм. Затем этот процесс практически прекратился. По данным гаммаскопии (рис. 1.14) плотность грунта в мерзлой части уменьшилась с 1.8 г/см3 до 1.72 г/см3, а в талой увеличилась до 1.81 г/см3. В течение первого часа после начала опыта наблюдалось впитывание влаги, а затем на протяжении всего опыта ее вытеснение. Опыт №5.
В данном опыте использовалась та же колонка с грунтом, что и в опыте № 4. Уровень грунтовых вод находился на глубине 34 см от поверхности. Величина внешней нагрузки составляла 0.2 кг/см2. Опыт продолжался 214 часов. Супесь промерзла на глубину 12 см. Процесс пучения практически не развивался. Наблюдалось колебание уровня грунтовых вод. Опыт № 6.
В данном исследовании использовалась колонка тех же размеров, что и в предыдущих двух опытах. Однако, образец грунта был заменен. Были также заменены датчики температуры. Из корпуса колонки были удалены медные трубочки диаметром 0.2 см, которые входили в тело грунта на глубину 2 см и служили для ввода термопар. В данном опыте термопары были размещены непосредственно между корпусом колонки и грунтом. Тем самым была ликвидирована дополнительная нагрузка, возникающая при вмерзании медных трубок. Величина внешней нагрузки в данном опыте составляла 0.0 кг/см2. Опыт продолжался 32 часа. Супесь промерзла на глубину 13см. При промерзании развивался процесс пучения. Величина пучения составила 2.17 мм. Наблюдалось впитывание влаги в колонку с грунтом. По данным гаммаскопии начальная плотность грунта составляла 1.7 г/см3. Изменение плотности в течение опыта не регистрировалось.
В данном опыте использовалась та же колонка с грунтом, что и в опыте № 6. Предварительно было проведено уплотнение грунта под воздействием внешней нагрузки F кг/см2. Исходная плотность в результате уплотнения составила 1.8 кг/см2. Внешняя нагрузка на поверхность грунта в течение опыта составляла 0.6 кг/см2. Опыт продолжался 48 часов. Супесь промерзла на глубину 17 см. Зафиксирован процесс пучения. Величина пучения составила 0.4 мм. В течение первых часов после начала опыта шел процесс впитывания влаги, а затем ее вытеснение. Опыт № 8.
В опыте использовалась та же колонка, что и в предыдущем. Внешняя нагрузка 0.2 кг/см3. Опыт продолжался 72 часа. Глубина промерзания составила 15 см. Величина пучения была равной 2.1 мм. В процессе опыта наблюдалось впитывание влаги в колонку с грунтом.
Математическое моделирование процессов тепло- и массопереноса в мёрзлых почвах при их взаимодействии с растворами солей
На примере опыта № 21 видно, что образование линзы началось примерно через 24 часа после начала опыта (рис. 1.24 ). Величина пучения в последующий период составила около 5.6 мм, что соответствует размеру линзы по данным визуальных наблюдений. Следует отметить, что образование линз и их рост происходит не на границе талой и мерзлой зон, а в глубине мерзлой. Сопоставление результатов гаммаскопии и температурных профилей показывает, что ширина переходной зоны достигает 4-5 см, при градиенте температуры на границе промерзания около 0.14С /см (опыт № 17) и 1 см при градиенте - 0.7С /см (опыт № 21). Эти данные носят приблизительный характер, ввиду существования погрешности измерения, как температуры грунта, так и глубины образования ледяных линз. Однако они указывают на наличие переходной зоны и связь ее ширины с градиентом температуры. Следует также отметить, что по данным гаммаскопии, рост влажности в мерзлой части грунта, до начала образования линз, наблюдается в зоне шириной от 5 см (опыты №№ 16-18) до 1.5 см (опыты №№ 19-21). Это соответствует диапазону отрицательных температур примерно от 0 до минус 1.5СПосле образования линзы, изменения во влажности мерзлой зоны, выше линзы нами не отмечены. Если такие изменения и существуют, то точность определения влажности, равная 0.015 дол. объема, не позволяет их фиксировать.
При промерзании тяжелого суглинка нами отмечен тот факт, что в талой зоне, непосредственно прилегающей к фронту промерзания, существует область шириной около 3 см, в которой влажность грунта ниже полного насыщения на 0.06-0.08 дол. объема (рис. 1.22-1.24). Эта область возникает при формировании линзы и по мере затухания пучения влажность в ней растет, приближаясь к величине, равной полному насыщению Учитывая, что в опытах используется водонасыщенный грунт, понижение влажности в глубине грунта, должно сопровождаться возникновением разрежения в порах, освобождающихся от влаги. Таким образом, в талой зоне при промерзании грунта, создаются градиент влажности и градиент давления, которые способствуют подтягиванию влаги к фронту промерзания из удаленных от мерзлой зоны слоев грунта. На основе этих наблюдений можно сделать численные оценки градиента потенциала вблизи мерзлой зоны, под действием которого формируется миграционный поток к растущей линзе льда. Сделаем эти расчеты на примере опыта № 21.
Влажность талой зоны, вблизи фронта промерзания, через 72 часа после начала опыта уменьшилась на 0.07 дол. объема (рис. 1.24 ). По данным весового определения влажности, которое было выполнено при разборе колонки после окончания опыта № 21, влажность насыщенной зоны составляла 0.34 дол. объема. Таким образом, влажность талой области у фронта промерзания была равной 0.27 дол. объема или 16.5% от массы сухого вещества, при плотности сухого грунта в 1.63 г/см3, полученной в результате весового определения. По данным табл. 1.9 потенциал влаги при влажности в 16.5% равен -220 Дж/кг или 2.2 атм. эквивалентного давления. Ширина иссушенной зоны в опыте № 21 равна примерно 2 см. То есть градиент давления вблизи границы промерзания равен около 1 атм/см. В переходной мерзлой зоне, ширина которой по нашим оценкам была равной около 1 см, градиент потенциала должен быть еще выше, так как влагопроводность ее ниже из-за наличия внутрипорового льда и меньшего содержания незамерзшей влаги ( WH3 ). По данным гаммоскопии линза формируется в области температур около минус 0.5С. Величина WH3 при этой температуре равна 14% от массы сухого вещества, что дает по нашим расчетам снижение коэффициента влагопроводности по сравнению с талой зоной в 7-8 раз. Таким образом, градиент потенциала в мерзлой зоне, при условии неразрывности потоков в талой и мерзлой зонах, равен около 7 атм/см. Перерасчет градиента потенциала в градиент температуры, по формуле Клайперона-Клаузиуса, дает значение последнего равным 0.6 С/см. В опыте наблюдалось значение градиента порядка 0.7-0.8 С/см, то есть величина близкая к расчетной. Это подтверждает оправданность использования термодинамических представлений при описании миграции влаги в промерзающих грунтах.
В данной серии опытов, как и в опытах со средним суглинком, наряду с процессом пучения мерзлой зоны наблюдалось значительное уплотнение талой части грунта. Особенно наглядно этот факт проявился в опытах №№ 16, 17, 19. В опыте № 16 вспучивание мерзлой зоны было полностью скомпенсировано усадкой талой. В результате наблюдаемая величина пучения была близкой к нулю. Следствием этого эффекта явилась значительная усадка грунта, порядка 14 мм, после оттаивания колонки. На рис. 1.19 наглядно представлены данные гаммаскопии по динамике плотности грунта в процессах промерзания и оттаивания. Как видно, в результате цикла промерзания-оттаивания, плотность грунта в средней части колонки возросла с 1.82 г/см3 до 1.9 г/см3, что привело в конце опыта к значительной усадке грунта Данный опыт проводился при внешней нагрузке 1 кг/см2.
Еще значительнее усадка грунта после оттаивания была в опыте № 18, в котором нагрузка составляла 1.5 кг/см3. Высота колонки в данном цикле промерзания-оттаивания уменьшилась на 16.6 мм, однако в отличии от опыта № 16, здесь уже наблюдался процесс пучения. Из полученных результатов можно сделать важный вывод о том, что пучение рыхлых насыпных грунтов под нагрузкой, может проявиться не сразу. Возможно, потребуется несколько циклов промерзания - оттаивания, чтобы процесс пучения проявил себя в полной мере.
Остановимся теперь подробнее на анализе результатов о динамике пучения при различных нагрузках (рис. 1.25 ). Как видно из полученных данных, процесс пучения в тяжелом суглинке в основном определяется миграцией влаги. Превышение наблюдаемой величины пучения над потенциально-возможной, при отсутствии внешней нагрузки (кривые 1, 1а, 4), довольно значительное. Даже при нагрузке 0.5 кг/см2 это превышение составляет большую долю от общей величины пучения (кривая 2). Необходимо выделить два этапа при промерзании грунта. Первый этап, это формирование в мерзлой зоне сплошной текстуры. И второй этап, образование ледяной линзы. На первом этапе скорость промерзания превышает 0.2 см/час. Продвижение фронта промерзания сопровождается расширением замерзающей внутрипоровой влаги и выдавливанием части ее, слабо связанной с частицами грунта, в талую зону. При этом доля вытесненной влаги существенно зависит от величины внешней нагрузки и типа грунта, его водоудерживающей способности. На этом этапе существенное значение имеет и скорость промерзания. Влияние этого фактора на величину пучения можно проследить при сопоставлении динамики пучения в условиях отсутствия внешней нагрузки (опыт № 15 и опыт № 21, кривые 4, 1). Так в опыте № 15 скорость пучения на первом этапе промерзания, почти в два раза превышает этот показатель для опыта № 21. При этом скорость промерзания в опыте № 15 была в 1.5 раза ниже, чем в сравниваемом. Данный факт еще раз подтверждает известное положение о том, что величина влагонакоп-ления в мерзлой зоне находится в обратной зависимости от скорости промерзания.
Относительно влияния внешней нагрузки на влагонакопление в мерзлой зоне судить по результатам наших опытов довольно трудно. По крайней мере в диапазоне нагрузок от 0 до 1 кг/см2 заметного отличия в динамике влажности грунта не прослеживается (рис. 1.22-1.24 ). Во всех трех опытах № 19-21, рост влажности в мерзлой зоне составляет около 0.02-0.03 доли объема.
Характеристики турбулентного тепло-массообмена в системе почва-растительный покров-атмосфера
Слой впитывания рассчитывается здесь в см, время берется в часах, Wo и Р в долях объема, Ко - в см/час. Масштабный коэффициент не имеет размерности. Сведения об этом параметре для разных типов почв помещены в табл. 3.2 . Расчет av можно проводить по формуле ( 2.89 ), а Ко по формуле ( 2.42 ). Структура выражения (3.41) аналогична формуле, полученной на основе использования подхода Грина-Эмпта (3.38). Основное отличие заключается в замене параметра Нр на более определенный и легче определяемый масштабный коэффициент .
Использование масштабных коэффициентов при описании влагоперено-са является перспективным направлением и широко представлено в зарубежной литературе [ 168, 172 ]. Выполнены исследования пространственной изменчивости aw. Показано, что распределение а подчиняется логнормаль-ному закону. Использование в расчетах информации о распределении возно-физических характеристик позволит усовершенствовать точечные модели, так как в них проявляется связь скорости инфильтрации с интенсивностью осадков, с размерами склона и другими пространственными и временными характеристиками.
В работе [ 123 ] была выполнена проверка эффективности использования различных моделей для расчета инфильтрации. Предварительно была проведена серия опытов по определению интенсивности впитывания воды в суглинистую почву, с помощью инфильтрометров. На основе экспериментальных данных методом наименьших квадратов были определены параметры входящие в расчетные формулы Костякова, Хортона, Филипа, Холтона и Грина-Эмпта. Из шести оцененных моделей, модель Хортона дала наиболее удовлетворительные результаты. Хорошо работают также модели Костякова и Грина-Эмпта. Несколько хуже Филипа и Холтона. При этом коэффициент корреляции между экспериментальными и расчетными данными по всем моделям был выше 0.95. Это говорит от отсутствии принципиальной разницы в использовании различных моделей при наличии исходных данных о впитывающей способности почвы. В работе [ 123 ] были приведены данные о пористости и наименьшей влагоемкости, используемой в опытах почвы. На их основе выполнен расчет впитывания по формуле (3.41 ). Расхождение с экспериментом не превысило 10%.
Остановимся подробнее на проблемах использования представленной в разделе 3.1 модели тепло-влагопереноса для расчёта инфильтрации. Так наибольшую эффективность уравнение влагопереноса ( 3.2 ) имеет при расчетах впитывания в почвы обладающие ярко выраженной слоистостью, что наблюдается при анализе генетического строения многих типов почв. Скачкообразное изменение физических свойств почв по глубине может являться также следствием различных агротехнических мероприятий. Все это в равной мере относится к случаю, с близким залеганием грунтовых вод, когда эпюра имеет ярко выраженный характер и нельзя использовать усредненные показатели дефицита влажности. Наибольшими перспективами модель обладает при описании процесса впитывания талой влаги в мерзлые почвы. Здесь возможны различные варианты ее использования.
Во-первых, модель способна предвычислять основные факторы, влияющие на водопоглительную способность почв в весенний период, которые традиционно используются в моделях стока. Например, глубину промерзания, температуру почвы, динамику влажности в зимний период.
Во-вторых, на основе численных экспериментов по оценке чувствительности расчета инфильтрации к различным свойствам почв и гидрометеорологическим условиям можно получить довольно простые выражения, связывающие объем и интенсивность впитывания с температурой воздуха, влажностью и плотностью почв, высотой снежного покрова и т.д. Опыт таких исследований для решения прикладных задач у нас имеется.
В-третьих, модель целесообразно применять для прогнозирования последствий изменения свойств почв под влиянием естественных и антропогенных причин, на составляющие водного баланса склона водосбора. Для этой цели необходима лишь информация о динамике отдельных свойств почв в процессе освоения земель или их естественного изменения. То есть данная модель обладает довольно высокими прогностическими качествами.
И, наконец, в связи с распространением в последнее время быстродействующих персональных компьютеров, физико-математические модели формирования отдельных элементов водного баланса могут шире использоваться при расчетах стока. Особенно это актуально при решении комплексных задач, связанных с экологическими аспектами сохранения природной среды.
Наряду с проверкой работоспособности модели при расчете миграции влаги, были проведены численные эксперименты по моделированию процесса оттаивания и инфильтрации. Полученные результаты сопоставлены с лабораторными данными. Первые сопоставления были проведены для процесса инфильтрации в талых почвах. Предварительно были поставлены эксперименты по дождеванию колонки с песком на разработанной нами установке ( рис. 2.1). Интенсивность подачи капель воды на верхнюю поверхность колонки регулировалась с помощью разработанного нами специального устройства. На рис. 3.6 и 3.7 приведены результаты экспериментов и расчета по нашей модели динамики профилей влажности песка в процессе инфильтрации воды. Как видно из полученных результатов, модель адекватно описывает процесс инфильтрации в талых почвах при различных интенсивностях подачи воды на поверхность почвы. В процессе проведения опытов было отмечен факт падения скорости впитывания воды в почву с возрастанием интенсивности дождевания. Причина возникновения данного явления обусловлена наличием внутрипоро-вого защемленного воздуха в почвах, величина которого зависит от влажности почвы и интенсивности дождевания, или в природных условиях - осадков. При расчетах инфильтрации необходимо учитывать данный факт путем изменения коэффициентов влагопереноса.
На рис. 3.8 изображена динамика впитывания талой влаги в мерзлый песок, а в табл. 1.6 помещены граничные условия по температуре для этого опыта, который использовался нами и для проверки модели на этапе промерзания. Как видно из рис. 3.8, отклонение расчетной влажности от измеренной иногда достигает 4%, что дает погрешность определения слоя впитавшейся влаги около 15%. Однако следует отметить, что определение влажности в опыте проводилось с погрешностью ± 2% объема. Это связано с быстротечностью процесса инфильтрации в рассматриваемом случае, которая не позволила выбрать период регистрации гамма-излучения, необходимой по длительности для достижения высокой точности измерения влажности методом гаммаскопии. Ранее особо отмечалось, что при описании процесса инфильтрации, потенциал и коэффициент влагопроводности мерзлых почв необходимо определять иным образом, чем при описании миграции. Чтобы подтвердить обоснованность этого утверждения, был выполнен расчет инфильтрации влаги с использованием тех же формул для определения водно-физических характеристик, которые рекомендуются для расчета миграции.
