ВЛИЯНИЕ СТЕПЕНИ ВОДОНАСЫЩЕНИЯ ГРУНТА И СКОРОСТИ ВЕТРА НА ПРОЦЕСС ИСПАРЕНИЯ Джаманбаев М. Дж.,Омуралиев С.Б.

КГТУ им. И. Раззакова


Номер: 2-5
Год: 2017
Страницы: 113-118
Журнал: Актуальные проблемы гуманитарных и естественных наук

Ключевые слова

атмосферные осадки, испарение, степень водонасыщения, скорость ветра, скорость испарения, интенсивность испарения, precipitation, evaporation, the degree of saturation, wind speed, evaporation rate, the rate of evaporation

Просмотр статьи

⛔️ (обновите страницу, если статья не отобразилась)

Аннотация к статье

В статье рассмотрены закономерности испарения влаги из грунтов (модельных материалов) в зависимости от степени водонасыщения и скорости ветра.

Текст научной статьи

Количество выпадающих осадков само по себе еще не определяет условий увлажнения почво-грунта. Таким образом, для оценки условий увлажнения нужно учитывать не только выпадающие осадки, но и возможность их испарения. Процесс испарения в естественных условиях является одним из основных звеньев в круговороте воды на земном шаре. Так как на испарение затрачивается значительное количество тепла, то оно является также важнейшим фактором теплообмена на поверхности грунта. Теория вопроса испарения влаги с поверхности грунтов имеет большое научное и практическое значение. Как известно, процесс испарения влаги из грунтов находится в прямой зависимости от внешних и внутренних факторов. Внутренние факторы - свойства самих почво-грунтов, их цвет, структура, сложение, гранулометрический состав и др. Влияние этих факторов было подробно рассмотрено рядом исследователей [1, 2, 3]. Внешние факторы - метеорологические условия, влажность воздуха, ход суточных температур, количество осадков, сила ветра, условия рельефа и др. Почво-грунты, расположенные на разных элементах рельефа, испаряют неодинаковое количество воды. Наибольшее количество воды испаряется в почво-грунтах, расположенных на южных склонах, и наименьшее на северных, причем эта разница тем больше, чем сильнее крутизна склона. В частности, почти неисследованным остается целый ряд внутренних и внешних факторов, влиянием которых часто пренебрегают (из-за его не изученности), но от которых параметры испарения могут находиться в прямой зависимости. Практически неисследованным остается влияние на этот процесс минерального состава грунта, степени его водонасыщения (Sir) и скорости ветра. Поэтому, целью настоящей работы являлось установление на модельных материалах влияния степени водонасыщения и скорости ветра на процесс испарения. Для изготовления образцов материала были выбраны: песок речной и суглинистый грунт из места оползня. Были приготовлены образцы с разной начальной влажностью и соответственно с разной степенью водонасыщения при одинаковой плотности грунта. Для этого указанную абсолютно сухую навеску грунта помещали в пластмассовую чашку и добавляли соответственно 100; 150; 200 см3 воды и тщательно перемешивали содержимое до равномерного увлажнения. После этого грунт помещали в пластмассовые стаканчики (емкость 400 мл), с постоянным постукиванием металлической палочкой по стакану для достижения плотного состояния грунта и выравниванием его поверхности шпателем, как это описано в книге «Практикум по грунтоведению» (1993 г). Результаты изучения водно-физических свойств анализируемых грунтов приведены в таблице 1. Таблица 1 Водно-физические свойства исследуемых грунтов Наименова-ние грунта Плотн-ость частиц ρs, г/см3 Плотность скелета/плот-ность грунта ρd/ρгр, г/см3. Пористость m, % Коэф-т порис-тости, e Полная влагоемкость We, % (Содержание воды, мл) Степень водонасыще-ния, Sr Песок речной (размер частиц 2 мм) 2,65 2,65 2,65 1,63/1,82 1,69/1,98 1,68/2,09 38,47 36,12 36,44 0,63 0,57 0,57 11,62 (100 мл) 16,96 (150 мл) 24,09 (200 мл) 0,49 0,79 1,11 Песок:сугли-нок=(70:30)% 2,67 2,67 2,67 1,71/1,95 1,65/1,98 1,49/1,90 36,13 38,13 44,24 0,57 0,62 0,79 14,35 (100 мл) 19,86 (150 мл) 27,62 (200 мл) 0,68 0,86 0,93 Песок:сугли-нок=(30:70)% 2,69 2,69 2,69 1,62/1,96 1,58/1,95 1,51/1,93 38,05 41,15 43,93 0,61 0,70 0,78 17,61 (100 мл) 23,18 (150 мл) 27,97 (200 мл) 0,77 0,89 0,96 Суглинок 2,70 2,70 2,70 1,42/1,85 1,52/1,89 1,50/1,95 43,08 43,84 44,44 0,76 0,78 0,80 20,37 (100 мл) 24,65 (150 мл) 29,99 (200 мл) 0,73 0,85 1,01 Предварительно взвешенные водонасыщенные образцы грунта в цилиндрических пластмассовых стаканах ставились под воздушную тягу для испарения из них влаги в одинаковых температурных условиях (Т=270С). В контрольном стакане была вода без грунта. Затем велись наблюдения за потерей грунтом массы (∆m) во времени. В начале наблюдений (2-3 сут.) образцы в стаканах взвешивались 2-3 раза в сутки, далее - 1 раз в сутки. По результатам опытов были получены зависимости изменения массы образцов m во времени t вида: m=f(t) (V=f(t)-объем испарившейся влаги от времени). Значения интенсивности испарения iи, выраженные в см/час, определялись по формуле: , где - скорость испарения, см3/час; S - площадь образца, см2; ∆m - изменение массы образца за интервал времени ∆t, г; ∆t - интервал времени, час.. Величина iи может измеряться в г/ч*см2. Учитывая, что плотность воды ρв=1г/см3, значения iи могут также выражаться в см/ч или см/с по системе СИ. При этом 1г/ч*см2=1 см/ч. В результате были получены графики зависимости интенсивности испарения (iи) от времени (t). Замечено, что грунты, т.е. модельные материалы, испаряют количество воды неодинаково. Насыщенные водой песчаные грунты испаряют воды больше, чем суглинок. Получены графики зависимости интенсивности испарения влаги (iи) от времени (t), для образцов модельных материалов с разной начальной степенью водонасыщения (Sr) (рис.1). а) б) в) г) Рис. 1. Зависимость интенсивности испарения влаги из модельных материалов от времени при различной начальной степени водонасыщения: а)-песок:суглинок=(100:0)%; б)-песок:суглинок=(70:30)%; в)-песок:суглинок=(30:70)%; г)-песок:суглинок=(0:100)%) Графики (рис.1) интерполировались полиномами 4-й и 5-й степени с коэффициентами корреляции R =0.9994-0.9933. Данные представлены в таблице 3. Таблица 3 Виды функции Виды грунтов Степени водонас-ния, Sr Виды функции Коэфф. корр-ции, R а).Песок:суглинок (100:0)% 1.11 0.79 0.49 Y=7E-07x4+0.0001x3-0.0035x2+0.0105x+0.2678 Y=5E-05x4-0.0013x3+0.0093x2-0.0254x+0.2551 Y=2E-05x4-0.0006x3+0.0035x2-0.0092x+0.2146 0.9949 0.9959 0.9956 б).Песок:суглинок (70:30)% 0.93 0.86 0.68 Y=5E-06x4-0.0001x3+0.0003x2-0.0027x+0.2599 Y=8E-06x4-0.0001x3-0.0002x2-0.0015x+0.2245 Y=-3E-07x4+0.0001x3-0.0024x2+0.0035x+0.1989 0.9965 0.9960 0.9980 в).Песок:суглинок (30:70)% 0.96 0.89 0.77 Y=2E-05x4-0.0005x3+0.0037x2-0.0113x+0.2395 Y=2E-05x4-0.0005x3+0.0024x2-0.0072x+0.2188 Y=1E-05x4-0.0001x3-0.0011x2+0.0044x+0.1894 0.9971 0.9994 0.9969 г).Песок:суглинок (0:100)% 1.01 0.85 0.73 Y=-5E-06x5+0.0002x4-0.0036x3+0.0231x2-0.0653x+0.2804 Y=-9E-06x5+0.0004x4-0.005x3+0.028x2-0.0686x+0.2636 Y=-4E-06x5+0.0001x4-0.0014x3+0.003x2-0.0032x+0.185 0.9972 0.9981 0.9933 Графики функции интенсивности испарения iи(t), так же как и графики зависимости m(t), имеют одинаковую форму, например: (песок:суглинок = (100:0)%, рис.2) Рис. 2. Зависимость потери массы образцов песка (m) при испарении от времени (t) с разной начальной степенью водонасыщения Анализируем графики iи(t) (рис.1 - (а)-(г)). На них можно выделить три участка: 1). На начальном этапе участок почти горизонтальный или пологий, на котором функция iи(t) имеет максимальные значения; 2) убывающий, характеризующийся относительно резким снижением значений функции iи(t); 3) для конечного этапа характерны весьма низкие величины интенсивности испарения, т.е. график функции iи(t) становится пологим и асимптотически стремятся к нулевым значениям. Аналогично такие участки получили для остальных грунтов (песок:суглинок=(70:30)%); песок:суглинок=(30:70)%) и суглинок). Явление закономерного уменьшения скорости испарения во времени объясняется особенностями дегидратации порового пространства грунта: по мере испарения влаги из грунта удаляется вода все большего энергетического уровня связи с поверхностью. Когда категория влаги сменяется с «капиллярно-пленочной» на «капиллярно-стыковую» (существующую в виде «манжет» на стыках песчаных частиц), энергия связи воды с поверхностью частиц возрастает-соответственно механизм испарения меняется и скорость испарения из образца становится меньше [2]. Кроме того, как показывает анализ графиков функции iи(t), интенсивность испарения влаги закономерно возрастает с увеличением начальной степени водонасыщения грунта. Наибольшие величины интенсивности испарения наблюдаются для образцов с наиболее высокой степенью начальной водонасыщения. Для образцов низкой степенью водонасыщения интенсивность испарения меньше. Было отмечено, что в ходе самого процесса испарения влаги из речного песка не только уменьшается степень его водонасыщения в целом, но и меняется его влажность по глубине. Испарению благоприятствует и ветер, так как он способствует обмену воздуха над поверхностью почво-грунта. На рисунке 3 представлены графики зависимости интенсивности испарения от скорости ветра. Как видно из графиков, увеличение скорости ветра заметно повышает интенсивность испарения в первом периоде испарения от 0,0098-0,01 до 0,041-0,048 см/ч при соответствующем изменении скорости ветра от 0 до 5 м/с . Из кривых следует, что для исследуемых модельных материалов характерны примерно одинаковые значения интенсивности испарения, в то время как более низкие скорости наблюдаются для суглинистого грунта и песок:суглинок =(30:70)% . Кривые могут быть аппроксимированы прямолинейной зависимостью с коэффициентом корреляции R=0,9968 (см., например, песок:суглинок = (100:0)%)). Из полученных данных за период наблюдения в течение (6 ч), интенсивности испарения со свободной поверхности воды при разных скоростях ветра (v=2, 3, 4, 5 м/сек), составляют (i=0,0163; 0,0217; 0,0284; 0,03509 см/ч). При небольшой продолжительности эксперимента (6 ч) модельные материалы, находящиеся в состоянии полной влагоемкости, испаряют воду в среднем 9,64 см3. Испарение со свободной поверхности воды в среднем составляет 7,06 см3, т.е. получается, что испарение влаги из модельных материалов выше на 2,58 см3, чем с плоской поверхности воды. Рис. 3. Зависимость интенсивности испарения влаги из модельных материалов от скорости ветра Из опыта видно, что величина испарения влаги из суглинистых грунтов весьма невелика. Определение количества воды, испаряющейся с поверхности образца (суглинка) при степени водонасыщения (Sr =1,01 ед.), представлены на рисунке 4. Рис. 4. Количество воды, испаряющейся с поверхности образца при полном водонасыщения (без учета скорости ветра) Итак, в рассматриваемой задаче испарение, имеет не существенное значение и поэтому можно определять устойчивости склонов, не учитывая его. На основе результатов проведенных опытов было установлено, что: 1. Интенсивность испарения влаги из грунтов (модельных материалов) зависит от начальной степени его водонасыщения (Sr) и закономерно снижается по мере уменьшения их начальной степени водонасыщения. 2. Интенсивность испарения в нестационарных условиях, снижаясь во времени, закономерно уменьшается в ряду песок>песок:суглинок = (70:30)% > песок:суглинок = (30:70)%> суглинок. 3. Увеличение скорости ветра заметно повышает интенсивность испарения в первом периоде испарения от 0,0098 до 0,041-0,047 см/ч при соответствующем изменении скорости ветра от 0 до 5 м/с. Кривые (iи(v)) могут быть аппроксимированы прямолинейной зависимостью с коэффициентом корреляции R=0,9968. 4. При средней величине Sr =0,85 (с учетом скорости ветра) интенсивность испарения влаги из грунтов (модельных материалов) на 2,58 см3 выше, чем испарение со свободной поверхности воды.

Научные конференции

 

(c) Архив публикаций научного журнала. Полное или частичное копирование материалов сайта возможно только с письменного разрешения администрации, а также с указанием прямой активной ссылки на источник.