CC BY
66
Гравитационный режим фильтрации проявляется в интенсивном снижении уровней как в основном горизонте, так и его свободной поверхности. Этот этап является наиболее нредстав»гтельным и позволяет определить полный набор гидрогеологических параметров. Опытное опробование должно быть достаточной продолжительности, чтобы достигнуть именно этот этап.
На рис. 2, б представлен типовой график временного прослеживания, построенный по данным опытной кустовой откачки на одном из разведанных участков, обозначенном на рис. I и в табл. 1 под номером 12. Достижение гравитационного режима фильтрации в данном примере произошло через трое сут.
В табл. 2 представлены гидрогеологические параметры, полученные по данным опытно-фильтрационных работ. Значения параметров различаются на несколько порядков: коэффициент водопроводимости от 57 до 333 м/сут, коэффициент уровнепроводности (пьезопроводности) -0,2x101 - 18x104 м:/суг, водоотдача - 0,001-0,22. Проведенный статистический анализ показал высокие значения среднеквадратичного отклонения и коэффициента вариации. Это означает, что в выборке значения исследуемых признаков широко колеблются вокруг среднего и доказывает высокую фильтрационную неоднородность олигоценового водоносного горизонта.
ВЫВОДЫ
1. Олигоценовый водоносный горизонт характеризуется сложными гидрогеологическими условиями, обусловленными как невыдержанной мощностью песчаных отложений, так и высокой филырационной неоднородностью. Участки с высокой (перспективной для эксплуатации) мощностью водоносного горизонта приурочены чаще всего к водораздельным пространствам.
2. Разработана и широко апробирована методика изучения и оценки эксплуатационных запасов олигоценового водоносного горизонта на конкретных месторождениях и участках, включающая выполнение опытной кустовой откачки для определения расчетных гидрогеологических параметров.
3. Решение вопроса хозяйственно-питьевого водоснабжения значительной части Свердловской области требует дальнейшего изучения региональных закономерностей олигоценового водоносного горизонта. Достоверные региональные характеристики позволят точнее сориентировать поисково-оценочные гидрогеологические работы и разработать схемы водоснабжения конкретных населенных пунктов.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Боровский Б.В., Самсонов Б.Г., Язвин Л.С. Методика определения параметров водоносных горизонтов по данным откачек. М.: Недра, 1979. 326 с.
2. Гидрогеология СССР. Том XIV. Урал. М., 1972. 628 с.
УДК 556.388 (575.11)
И.В. Абатурова, И.А. Савиицев
МЕТОДЫ ИЗУЧЕНИЯ УСЛОВИЙ ОБРАЗОВАНИЯ И РАСПРОСТРАНЕНИЯ ПРОЦЕССОВ СЕЗОННОГО ПРОМЕРЗАНИЯ И ПРОТАЙ ВАН ИЯ
Изучение закономерностей формирования температурного режима пород п слое годовых колебаний температуры неразрывно связано с изучением закономерностей формирования слоя сезонного промерзания и слоя сезонного оттаивания, так как именно в этих слоях реализуется основная часть тепловых процессов, к которым, в первую очередь, относятся годовые теплообороты и тепловлагоперенос.
Годовые теплообороты в горных породах являются составной частью радиационно-теплового баланса земной поверхности и могут быть представлены как функция температурного режима
поверхности, тсплофизнческих свойств горных пород и их влажности.
Сезонные промерзания и отгаивания являются тепловым мерзлотным процессом, обусловленным сезонным изменением количества поступающей солнечной радиации на поверхность
Земли.
Слой сезонного промерзай»« и оттаивания пород является той промежуточной контактной средой, через которую осуществляется теплообмен на поверхности земли с миоголетнемерзлыми породами. Вопрос изучения сезонного промерзания и оттаивания грунтов стоит очень остро, так как является очень сложным по своей сути, и пути его решения неоднозначны.
Задачи по определению глубин сезонного промерзания и оттаивания возникают в связи с динамикой сезонного промерзания и оттаивания, которая приводит к образованию перелетков мерзлых пород или к разобщению сезоннооттаивающего слоя с многолетнемерзлой толщей. Образование мерзлых перелетков, существующих в течение ряда лет на участках распространения талых пород, или таликов, также существующих в течение нескольких лет на участках распространения многолетнемерзлых пород, значительно осложняют условия строительства и эксплуатации инженерных сооружений.
При изучении сезонного промерзания и оттаивания необходимо учитывать как теплофизичсскую сторону процесса, так и геологическую среду и географическую обстановку, в которой он протекает, а также их взаимосвязь.
Таким образом, появляется необходимость выделения наиболее обобщенных групп факторов, определяющих характер сезонного промерзания и отгаивания. Данная группировка позволяет установить природу и механизм влияния каждого из факторов на динамику изменения глубины сезонного промерзания и оттаивания.
К первой группе относятс* географические факторы, включающие в себя такие, как среднегодовая температура пород, амплитуда колебания среднемесячных температур, мощность снежного и других покровов. Данные факторы подчиняются широтной и высотной зональности.
Ко второй группе относятся геолого-геоморфологические факторы, такие, как литологический состав пород и их влажность, которые изменяются регионально в соответствии со строением земной коры и основными формами рельефа.
Третья группа факторов является вытекающей из первой. Это биологические факторы, которые обусловлены географическим положением. Влияние данной группы на сезонное промерзание и оттаивание осуществляется прежде всего через растительный покров.
К четвертой группе относятся факторы, связанные с антропогенной деятельностью человека. Их влияние осуществляется через нарушение естественных условий искусственными покровами (дороги, сельскохозяйственные поля и т. д.) и инженерными сооружениями.
Таким образом, количество сочетаний различных значений факторов может достигать большого числа, что обусловливает и большое разнообразие глубин сезонного промерзания и отгаивания пород, наблюдаемых в природе. Одна и та же глубина сезонного промерзания и отгаивания пород в различных точках часто обьясняется различным сочетанием природных факторов, и, наоборот, в одинаковых природных условиях формируются различные глубины сезонного промерзания и оттаивания. Вследствие комплексности влияний этих факгоров изменение одного из них в этих двух случаях приведет к самым рахшчным результатам.
Территория г. Салехарда расположена в пределах прерывистого распространения многолетнемерзлых пород. Амплитуда годовых колебаний температуры воздуха достигает 70 °С, что вполне оправдывает развитие таких процессов, как сезонное промерзание и оттаивание, формирующих деятельный слой.
Мощность сезонного промерзания и отгаивания можно определять опытным и расчетным путем. Для выполнения расчетов глубин сезонного промерзания и отгаивания существует несколько методов, которые большей своей частью носят теплофизический характер, то есть сезонное промерзание и оттаивание пород рассматривается как чисто теплофизический процесс. В этих методах отражается зависимость сезонного промерзания и оттаивания от таких факторов, как температура воздуха, теплопроводность и удельная теплоемкость грунтов в различных состояниях, а также физико-механические свойства грунтов.
В данной работе приводятся результаты расчетов глубин сезонноталого и ссзонномерзлого слоев по нескольким методам, которые носят теплофизический характер:
1. Расчет глубины сезонного отгаивания в случае равенства коэффициентов теплопроводности пород в мерзлом и талом состояниях [2, 3].
D = aS\ В = аи + а:ст-/Зб-сгЗ:\ E = vp + apcr + uaS;
a-A^+Si P = [A0 -t()er и = A,
cp{2c
ГяГ 0+ A0-t(
V^oe 2Co6 in
t4 +s
£2c = —; Г - год, равный 8760 ч. а
С ((Г - W >/ If у
_ С .. J ЛС\ С ' н Н ас м , " м/ ск.м . об.и ~ ^уд/ми + "»J-
<?Ф=80
100 100 (K-w.K*
100
Для расчета глубины сезонного оттаивания необходимы следующие исходные параметры:
- среднегодовая температура воздуха;
- физическая амплитуда годовых температурных колебаний на поверхности оттаивающих пород;
объемная теплоемкость грунта Совм ;
- коэффициент теплопроводности грунта Я;
- удельная теплоемкость породы С ;
- объемный вес скелета грунта улы; • естественная влажность IVс.
Главный недостаток этого метода заключается в большом количестве исходных параметров, которые не всегда можно определить опытным (лабораторным) путем, что вынуждает пользоваться справочной литерату рой.
2. Расчет глубины сезонного оттаивания (промерзания) по СНиП 11-18-76:
Я = (О>25 - - и,К ;
где /, = 1,4/в + 2,4; Г] = 1,15г, + 360; /„ и г, - соответственно средняя температу ра воздуха за период положительных температур, °С, и продолжительность периода с положительными температурами воздуха, ч; /0- температура вечномёрзлого грунта, °С; /«л- температура начала замерзания грунта;
Яу, Яы - коэффициент теплопроводности соответственно талого и мёрзлого грунтов, ккап/(м ч град); У(жы- объёмный вес скелета мёрзлого грунта, т/м3; СТ,СМ- объёмная теплоёмкость соответственно талого и мёрзлого грунтов, ккал/ иг; р • удельная теплота плавления льда, принимаемая равной
80000 ккал/т; И'(- суммарная влажность грунта в долях единицы; УУЫ- весовое содержание
незамёрзшей воды в долях единицы.
Он позволяет определить глубину сезонного оттаивания (промерзания) грунта исходя из физико-механических свойств пород, их теплофизических характеристик, а также климатических условий района исследований. Расчет облегчается наличием вполне понятных приложений, в которых отражаются все исходные параметры в зависимости от тех или иных условий. Недостаток метода заключается в обширном пользовании справочными данными, что искажает, может быть и незначительно, реальность.
3. Определение глубины сезонного оттаивания (промерзания) по формуле Стефана.
, 12Л„Пи(г) 0
£ =--" , где 124 - сумма морозоградусочасов, ч.
Эта формула применяется для ориентировочных расчетов глубины сезонного оттаивания (промерзания) пород, если известны их теплофизические характеристики и температурные условия на поверхности земли. Формула получена при следующих предположениях:
- рассматривается однородная полуограниченная среда, температура которой в начальный момент времени одинакова по глубине и равна температуре фазовых переходов;
- в начальный момент времени на поверхности мгновенно задаётся и в дальнейшем поддерживается постоянная температура;
- предполагается, что при промерзании выделяется несравнимо большое количество тепла, чем тепла, выделяющегося за счет теплоёмкости пород при понижении температу ры, в результате чего теплоёмкостью можно пренебречь.
Таким образом, формула имеет существенную погрешность в результате неучёта тсплотока, идущего снизу, а также неполного отражения температу рных условий на поверхности. Как правило, формула Стефана дает завышенные результаты.
4. Определение глубины сезонного оттаивания (промерзания) пород по формуле Лейбснзона:
В формулу Лейбензона вводится постоянная температура пород по разрезу перед началом процесса оттаивания (промерзания). Формула учитывает ненулевое распределение температур в талой (мёрзлой) зоне перед сё промерзанием (оттаиванием), что замедляет движение фронта, так как часть тепловой энергии идёт на понижение (повышение) температуры в этой зоне до температуры начала фазовых переходов.
Значения глубины сезонного оттаивания (промерзания), вычисленные по формуле Лейбензона. будут меньше вычисленных по формуле Стефана.
Рассмотренные решения задачи определения глубины сезонного оттаивания (промерзания) имеют достаточно ог раниченный круг применения, поскольку могут использоваться только в случае оголённой поверхности пород, при отсутствии каких-либо покровов, выполняющих роль теплоизоляции.
Лейбензон предложил формулу, которая учитывает теплопроводность и мощность покрова. Как видно, значения глубин сезонного оттаивания (промерзания), рассчитанные по этой формуле с учётом торфяного покрова мощностью 0,1 м, на 7-14 см меньше, чем без него (см. таблицу).
При сравнении опытных данных, полученных при бурении скважин, и расчётных значений глубины сезонного оттаивания (промерзания), видно, что в наибольшей степени по сравнению с другими отражают реальность методы расчёта по СНиП 11-18-76 и по формуле Лейбензона. Все рассмотренные выше методы не отражают чёткой связи теплофизической стороны оттаивания (промерзания) пород с геолого-географической природой этого явления. При расчётах невозможно полно отразить всю совокупность изолирующих покровов и неоднородность геологического строения. Для определения глубины сезонного оттаивания (промерзания) расчетным методом наиболее подходят расчеты по СНиП 11-18-76 и по формуле Лейбензона.
Расчетные глубины сезонного промерзания (протаивания), м
Stn/n Точка наблюдения Литологический состав Сезонное протаинание Сезонное промерзание
но Кудрявцеву поСНиП II-18-76 по формуле Стефана но формуле Лсйбснзона \ по формуле Лсйбснзона с учетом мохового покрова мощностью 0.1 м поСНиП 11-18-76 по формуле Стефана по формуле Лсйбснзона по формуле Лсйбензона с учетом мохового покрова мощностью 0.1 м
1 6т Суглинок 0.94 1.93 1.74 1.73 1.64 2.9! 2.72 2.71 2.55
2 8т Суглинок 0.34 2.08 1.86 1,85 1,71 3.04 2.86 2.85 2.61
3 9т Суглинок 0.87 2.26 2.1 2.09 1.94 3.32 3.22 3.21 2.%
4 оЗ Супесь 1.31 2.42 2.29 1.98 1.9 3.91 3.54 3.11 2.95
5 о5 Супесь 1.61 2.46 2.3? 2.33 2,21 4.03 3.63 3.61 3.41
6 о34 Суглинок 1,48 2.28 2.29 2.61 2,49 4.13 3.58 4.04 3.84
7 о55 Суглинок 2.09 2.27 2.27 2.59 2,47 4,08 3.55 4.01 3.81
8 о36 Суглинок 1.53 2.31 2.25 2.23 2.13 3.99 3.56 3.54 3.35
9 о54 Суглинок 1.3 2.26 2.17 2.16 2.05 3.82 3.44 3.42 3.23
10 23т Супесь 1.44 2,49 2.36 2.35 2.2 4.02 | 3.63 3.61 3.38
11 056 Глина 1.84 2.37 2.36 2.58 2,45 4.24 3.72 3.98 3.76
12 26г Супесь 1.34 2.48 2.35 2.33 2,19 4 1 3,61 3.6 3.36
13 018 Суглинок 1.9 2.43 2.48 2.46 2,35 4,54 1 3.92 3.9 3.71
14 м27 Суглинок 1.59 2.28 2.2« 2.26 2,17 4.1 3.56 3.54 3.39
15 о31 Суглинок 1.87 2,42 2.46 2.44 2,33 4,48 3,88 3.86 3.67
16 о91 Суглинок 2 2.24 2.13 2,12 2.01 3.74 3.38 3.37 3.17
17 20т Песок 1 2.82 2.58 1.96 1.83 4.28 3.% 3.14 2.9
18 llar Песок 0.91 2.6 2.36 2.03 1.9 3.95 3.69 3.14 2,92
19 о25 Суглинок 1,67 2.26 2.25 2.23 2,14 4,03 3.51 3.5 3.35
20 о82 Суглинок 1,88 2.39 2,39 2.62 2.49 4,33 3.78 4.04 3.82
21 776п Суглинок 2.06 2.4 2.53 2.51 2,42 4,76 3.95 3.92 3.76
22 о75 Суглинок 1.92 2.38 2.39 2,61 2,48 4,31 3.77 4.03 3.81
23 о62 Суглинок 0,97 2.23 2.04 2.11 1,97 3.45 3.21 3.25 3,02
24 о85 Суглинок 1.44 2.27 2.18 2,39 2.26 3,84 3.45 3.69 3.47
25 о87 Суглинок 0.73 2.08 1,89 1.88 1.76 3,19 2.98 2.97 2.77
26 о23 Суглинок 1.57 2,18 2,19 2.44 2.3 3.94 3.46 3.76 3,53
Анализируя расчетные глубины сезонного промерзания (оггаивания) по СНиП 11-18-76, получаем следующие результаты. Средняя глубина сезонного оттаивания суглинков составляет 2,26 м, сепесей - 2,46 м, песков - 2,71 м. Средняя глубина сезонного промерзания составляет у суглинков 3,89 м, у супесей - 3,99 м и у песков - 4,12 м (рис.1).
Рис. 1. Зависимость средней расчетной глубины сезонного промерзания (оттаивания) по СНиП 11-18-76 от состава пород:
1 - ссзонное промерзание: 2 -сезонное опаивание
Таким образом, можно уверенно сказать, что глубина сезонного промерзания и оттаивания увеличивается от суглинков к пескам. Изменение литологических особенностей состава пород приводит прежде всего к изменению их тсплофизических свойств - теплопроводности и теплоемкости. Общеизвестно также, что теплофизические свойства пород существенно изменяются с изменением их плотности, пористости и минерального состава. Более плотные породы имеют большую теплопроводность и теплоемкость. Следовательно, при прочих равных условиях наибольшие глубины сезонного промерзания и о~таивания формируются в грубодисперсных породах, а наименьшие - в тонкодисперсных.
Для выявления закономерностей изменения глубины сезонного промерзания и оттаивания от изменения влажности и мощности торфяного покрова на примере суглинков было проведено математическое моделирование при следующих допущениях. Изучалась одна точка наблюдения (о25), теплофизические и все остальные характеристики пород остаются неизменными, влажность меняется от 0 до 35 %, мощность торфяного покрова - от 0 до 20 см. Результаты моделирования, выполненного при таких допущениях, позволили выявить следующие закономерности.
Общая зависимость изменения глубины сезонного промерзания и оттаивания пород от их влажности представлена на рис. 2.
4
зк
5 3.5
I 3
1 2-5
| ^
1 1.5
2 I
I. 0.5
£
0
1 3 5 7 -9 II 13 15 I? 19 21 23 25 27 29 3« 33 35 важность, %
Рис. 2. Зависимость глубины сезонного промерзания и оттаивания пород от их влажности
Из приведённого графика видно, что при увеличении влажности от ноля до максимальной молекулярной влагоёмкости, равной 7 %, глубина сезонного оттаивания суглинков увеличивается и при влажности 7 % является максимальной (3,64 м): в этом случае теплопроводность увеличивается
больше, чем теплоёмкость. В этом интервале влажности вся влага в породах при отрицательных температурах остаётся в жидком состоянии. Породы в этом случае являются немерзлыми. При естественной влажности суглинков, превышающей молекулярную влагоёмкость, и температу ре ниже О °С часть воды замерзает. С увеличением влажности в этом случае резко возрастает доля фазовых переходов воды, которая в общих годовых теплооборотах нередко достигает 50 % и более, в связи с чем глубина сезонного оттаивания суглинков уменьшается. При достижении суглинками влажности, равной 30 %, наблюдается выполаживанис графика. Это явление связано с достижением полной влагоёмкости. что приводит при дальнейшем увеличении влажности к нарушению контактов между минеральными частицами, в результате чего меняется функциональная зависимость между влажностью суглинков и глубиной их сезонного оттаивания.
При анализе изменения глубины сезонного оттаивания (промерзания) суглинков от мощности торфяного покрова выявлена обратно пропорциональная зависимость между этими факторами. То есть при увеличении торфяного покровг. глубина сезонного оттаивания (промерзания) уменьшается (рис. 3).
4
х
0-1-!-.-1-.-
0 0J0S 0.1 0.15 0.2
величина торфяного покрова, м
Рис. 3. Зависимость глубины сезонного оттаивания (2) (промерзания) (1) от мощности торфяного покрова
Данное обстоятельство обусловлено прежде всего сравнительно низким коэффициентом теплопроводности торфа (0,6-0,9 ккал/н град ч). Наличие торфяного покрова мощностью 0,2 м уменьшает глубину сезонного оттаивания в 1,52 раза (с 2,26 до 1,49 м) и глубину сезонного промерзания в 1,53 раза (с 3,54 до 2,31 м).
В ходе выполнения работы были установлены основные закономерности изменения глубины сезонного промерзания (оттаивания) от изменения влажности пород и мощности торфяного покрова. Рассчитаны средняя глубина сезонного промерзания, которая составляет у суглинков 3,89 м, у супесей - 3,99 м, у песков - 4,12 м, и средняя глубина сезонного оттаивания, равная 2,26; 2,46; и 2,71 м соответственно. В 1961 году К.Л. Кондратьевой и Н.И. Труш на территории г. Салехарда и его окрестностей определялись глубины сезонного протаивання грунтов, которые составили в среднем для суглинков в естественных условиях 1,4 м, без учета изолирующих покровов 2,25 м. При сравнении расчетных значений с опытными данными сезонного протаивания грунтов в окрестностях г. Салехарда, полученными К.А. Кондратьевой и Н.И. Труш, а также данных по бурению скважин для расчетов рекомендованы методы определения глубины сезонного промерзания (оттаивания) по СНиП 11-18-76 и по формуле Лейбензона, так как они являются более объективными.
Подводя итоги, можно сделать вывод о том, что пока ещё нет метода, который позволил бы определять глубину сезонного промерзания (оттаивания) расчетным путем, подробно отражая всю сложность этого процесса.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Ершов Э.Д. Общая геокриология. М.: Изд-во МГУ, 2002. 682 с.
2. Кудрявцев В.А. Общее мерзлотоведение. М.: Изд-во МГУ, 1978. 464 с.
3. Кудрявцев В.Л., Га ра гул я Л.С., Коидратьева К. А., Мелямед В.Г. Основы мерзлотного прогноза при инженерно-геологических исследованиях. М.: Изд-во М1"У, 1974. 432 с.
4. Природные опасности России /Под редакцией Гарагуля Л.С. и Ериова Э.Д. М.: Изд-во "Круг". 2000.316 с.
УДК 55:504.54
Н.В. Рубан
ПРИНЦИПЫ ОЦЕНКИ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО ПОТЕНЦИАЛА ЛАНДШАФТОВ ДЛЯ ЦЕЛЕЙ ГЕОЭКОЛОГИЧЕСКОГО РАЙОНИРОВАНИЯ
В настоящее время под влиянием веб возрастающей деятельности человека по освоению природных ресурсов начинает складываться новый тип отношений общества к природе - отношения управления. Такой тип отношений охватывает как процессы, происходящие в природе, так и деятельность общества в целом и предполагает разработку рациональных программ этой деятельности, учитывающей характер и границы допустимого воздействия на окружающую среду и необходимость её сохранения и воспроизводства.
Создание программ рационального взаимодействия между человеком и природой невозможно без системы контроля над состоянием природной среды, базирующейся на знании внутренних потенциальных свойств самой среды и оценки техногенных воздействий. Это позволит своевременно выявлять возможные негативные последствия деятельности человека и предупреждать их. Изучение взаимодействия общества и природы ведется уже давно, поэтому для этих целей применяют различные методики, в том числе и районирование. На данный момент существуют многочисленные варианты районирования с учетом одного или нескольких экологических факторов, загрязненности отдельных природных компонентов. Подходы к районированию процессов взаимодействия природы и общества можно систематизировать следующим образом:
- природно-хозяйственнос районирование (критерий - природно-ресурсный потенциал);
- эколого-экономнческое районирование (критерий - уровень воздействия, соотнесенный с потенциалом устойчивости среды);
- геоэкологическое районирование (критерий - уровень загрязненности природной геологической среды). При геоэкологическом районировании объектом исследования выступают геосистемы. Основная черта этих геосистем - их территориальность. Различают два основных класса геосистем - природные и антропогенные. К собственно природным геосистемам относятся естественные практически не изменённые человеком системы - природные ландшафты и их компоненты. К собственно антропогенным следует отнести геосистемы, целиком созданные человеком и не имеющие аналогов среди естественных геосистем, например, такие системы, как город, промышленные объекты и т. п.
Конечно, деление геосистем на природные и антропогенные условно, ибо известно, что, с одной стороны, на нашей планете, особенно на обжитых территориях, практически не осталось не измененных человеком природных геосистем, а с другой - любая территориальная антропогенная геосистема так или иначе взаимодействует с природными. Поэтому по сути своей современные геосистемы - это системы природно-антропогенные, выполняющие ту или иную заданную человеком функцию.
Как природно-антропогенные геосистемы следует рассматривать большинство современных ландшафтов. Представление о современных ландшафтах как системах прирэдно-антропогенных имеет особое значение в решении проблем взаимодействия общества и природы, в частности -природоохранных задач [3].
Одним из важнейших свойств ландшафта является устойчивость его состояния во времени и пространстве. Здесь имеется в виду природный потенциал ландшафтов и их естественная генетическая способность противостоять внешним природным и техногенным воздействиям [1]. Понятие "устойчивость", согласно точке зрения Звонковой Т.В., необходимо использовать в трёх аспектах:
