Гидродинамические основы влагопереноса в гидрогеологических системах. Действующие силы и параметры влагопереноса

Влагопереносом называют процесс движения влаги, представ­ляющий собой перенос свободной и физически связанной воды под действием гравитационных, молекулярных и капиллярных сил. Он происходит в зоне аэрации (ЗА), то есть в неполностью насыщенной водой среде.

В отличие от фильтрации в зоне полного насыщения, для влаго­переноса в зоне аэрации характерно наличие в поровом пространстве двух фаз - воды и воздуха. Воздух, находясь в свободном состоянии, образует непрерывную фазу и обычно имеет прямую связь с атмос­ферой. При этом соотношение фаз, т.е. степень водонасыщения, яв­ляется определяющим фактором процесса: от него зависят характер и интенсивность внутренних сил, действующих на частицы жидкости в порах. Чем меньше степень водонасыщения, тем все большую роль играет движение парообразной воды и связанные с этим температур­ные, электрокинетические, электромагнитные и другие факторы. В породах с высокой влажностью (больше ММВ) ведущая роль принад­лежит гравитационным и капиллярным силам.

Таким образом, влажность пород и их литологический состав, об­условливающий величину ММВ, определяют величину сил, влияние которых принято характеризовать потенциалом поровой влаги - ра­ботой, необходимой для извлечения из породы массы жидкости. Ее эквивалент, приходящийся на единицу объема воды, принято назы­вать всасывающим давлением и выражать в метрах водяного столба Ψ (пси). Зависимость всасывающего давления от влажности (Ψ=f(θ)) называется основной гидрофизической характеристикой (ОГХ). Она зависит от гранулометрического состава и водных свойств пород и существенно различается для песков, супесей и суглинков.

Для расчетов экспериментальную кривую (Ψ=f(θ)) аппроксимиру­ют различными аналитическими зависимостями, например, для супе­сей получена логарифмическая зависимость:

Основные гидрофизические характеристики пород (Ψ=f(θ))

для суглинка - 1, для супеси - 2, для песка - 3

где:

Здесь ММВ и ПВ - максимально молекулярная и полная влагоемкость, θ (тета) - влажность породы, h_k- высота капиллярного под­нятия. Величина h_k примерно соответствует половине мощности зоны капиллярной каймы.

Расчетная схема влагопереноса представлена на рисунке ниже.

Влагоперенос происходит в вертикальной плоскости по координа­те z. Действие основных сил при влагопереносе можно выразить так же, как при фильтрации, имея в виду, что движение происходит по вертикали (ось z):

где Р_k - давление всасывания, z - геометрическая высота точки над плоскостью сравнения, за которую принимают уровень грунтовых вод, она характеризует действие гравитационных сил; γ - объемная масса воды.

Расчетная схема влагопереноса

Давление всасывания измеряется в паскалях или метрах водяного столба. При влагопереносе пресных вод принимают объемную массу воды γ≈1 г/дм³, и давление всасывания равно у/. Знак минус указыва­ет, что Р_к действует в направлении, обратном действию сил тяжести.

На депрессионной кривой (линия 0-0) Ψ=0. Выше, в пределах капиллярной каймы, где влажность близка полной влагоемкости, имеет место линейный рост всасывающего давления. Еще выше, за пределами капиллярной каймы, всасывающее давление, а с ним и напор меняются с высотой в зависимости от влажности.

Важным показателем процесса служит коэффициент влагопере- носа k_в, который связан с коэффициентом фильтрации и влажностью зависимостью

где показатель степени изменяется в интервале 3-5, чаще всего при­нимает значение п — 3,5. Анализ формулы показывает, что график зависи­мости имеет асимптоту: при влажности, равной ММВ, k_в = 0, что оз­начает отсутствие влагопереноса, а при влажности, равной ПВ, k_в = k, т.е имеет место фильтрация в зоне полного насыщения. Графически эта зависимость показана на рисунке.

График зависимости коэффициента влагопереноса от влажности пород