Динамика электрических характеристик грунтов в зависимости от фильтрационных свойств пород и стратификации зоны аэрации
Изложен метод, позволяющий связать процессы фильтрации влаги в слоях зоны аэрации (ЗА) с их электрическими характеристиками. В основе метода лежит численное решение уравнений фильтрации влаги, в результате чего получается распределение влажности по глубине в ЗА. Затем на основе электродинамической м...
Збережено в:
| Дата: | 2007 |
|---|---|
| Автор: | |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Russian |
| Опубліковано: |
Інститут радіофізики і електроніки ім. А.Я. Усикова НАН України
2007
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/10818 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Динамика электрических характеристик грунтов в зависимости от фильтрационных свойств пород и стратификации зоны аэрации / В.Г. Сугак // Радіофізика та електроніка. — 2007. — Т. 12, № 1. — С. 185-191. — Бібліогр.: 8 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-10818 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Сугак, В.Г. 2010-08-06T16:54:44Z 2010-08-06T16:54:44Z 2007 Динамика электрических характеристик грунтов в зависимости от фильтрационных свойств пород и стратификации зоны аэрации / В.Г. Сугак // Радіофізика та електроніка. — 2007. — Т. 12, № 1. — С. 185-191. — Бібліогр.: 8 назв. — рос. 1028-821X https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/10818 621.371.332.4 Изложен метод, позволяющий связать процессы фильтрации влаги в слоях зоны аэрации (ЗА) с их электрическими характеристиками. В основе метода лежит численное решение уравнений фильтрации влаги, в результате чего получается распределение влажности по глубине в ЗА. Затем на основе электродинамической модели, связывающей физические характеристики слоев ЗА с их электрическими характеристиками, вычисляется распределение комплексной диэлектрической проницаемости по глубине. Викладено метод, що дозволяє зв'язати процеси фільтрації вологи в шарах зони аерації (ЗА) з їхніми електричними сталими. В основі методу лежить чисельне рішення рівнянь фільтрації вологи, у результаті чого виходить розподіл вологості по глибині в ЗА. Потім на основі електродинамічної моделі, що зв'язує фізичні характеристики шарів ЗА з їхніми електричними характеристиками, обчислюється розподіл комплексної діелектричної проникності по глибині. It is stated method allowing to connect moisture filtering processes in subsurface layers of zone of aeration (ZA) with their electrical constants. The method is based on numerical decision of moisture filtering equations. As a result it is obtained a distribution of moisture in ZA on depth. And on the basis of electro dynamical model of electrical constants of soils it is calculated a distribution of complex dialectical permeability on a depth. ru Інститут радіофізики і електроніки ім. А.Я. Усикова НАН України Распространение и рассеяние волн Динамика электрических характеристик грунтов в зависимости от фильтрационных свойств пород и стратификации зоны аэрации Динаміка електричних характеристик ґрунтів в залежності від фільтраційних властивостей порід та стратифікації зони аерації Dynamical properties of soil electric characteristics depending on filtering properties of rock and stratification of a zone of aeration Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Динамика электрических характеристик грунтов в зависимости от фильтрационных свойств пород и стратификации зоны аэрации |
| spellingShingle |
Динамика электрических характеристик грунтов в зависимости от фильтрационных свойств пород и стратификации зоны аэрации Сугак, В.Г. Распространение и рассеяние волн |
| title_short |
Динамика электрических характеристик грунтов в зависимости от фильтрационных свойств пород и стратификации зоны аэрации |
| title_full |
Динамика электрических характеристик грунтов в зависимости от фильтрационных свойств пород и стратификации зоны аэрации |
| title_fullStr |
Динамика электрических характеристик грунтов в зависимости от фильтрационных свойств пород и стратификации зоны аэрации |
| title_full_unstemmed |
Динамика электрических характеристик грунтов в зависимости от фильтрационных свойств пород и стратификации зоны аэрации |
| title_sort |
динамика электрических характеристик грунтов в зависимости от фильтрационных свойств пород и стратификации зоны аэрации |
| author |
Сугак, В.Г. |
| author_facet |
Сугак, В.Г. |
| topic |
Распространение и рассеяние волн |
| topic_facet |
Распространение и рассеяние волн |
| publishDate |
2007 |
| language |
Russian |
| publisher |
Інститут радіофізики і електроніки ім. А.Я. Усикова НАН України |
| format |
Article |
| title_alt |
Динаміка електричних характеристик ґрунтів в залежності від фільтраційних властивостей порід та стратифікації зони аерації Dynamical properties of soil electric characteristics depending on filtering properties of rock and stratification of a zone of aeration |
| description |
Изложен метод, позволяющий связать процессы фильтрации влаги в слоях зоны аэрации (ЗА) с их электрическими характеристиками. В основе метода лежит численное решение уравнений фильтрации влаги, в результате чего получается распределение влажности по глубине в ЗА. Затем на основе электродинамической модели, связывающей физические характеристики слоев
ЗА с их электрическими характеристиками, вычисляется распределение комплексной диэлектрической проницаемости по глубине.
Викладено метод, що дозволяє зв'язати процеси фільтрації вологи в шарах зони аерації (ЗА) з їхніми електричними сталими. В основі методу лежить чисельне рішення
рівнянь фільтрації вологи, у результаті чого виходить розподіл вологості по глибині в ЗА. Потім на основі електродинамічної моделі, що зв'язує фізичні характеристики шарів ЗА з
їхніми електричними характеристиками, обчислюється розподіл комплексної діелектричної проникності по глибині.
It is stated method allowing to connect moisture filtering processes
in subsurface layers of zone of aeration (ZA) with their electrical
constants. The method is based on numerical decision of moisture
filtering equations. As a result it is obtained a distribution of moisture
in ZA on depth. And on the basis of electro dynamical model
of electrical constants of soils it is calculated a distribution of
complex dialectical permeability on a depth.
|
| issn |
1028-821X |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/10818 |
| citation_txt |
Динамика электрических характеристик грунтов в зависимости от фильтрационных свойств пород и стратификации зоны аэрации / В.Г. Сугак // Радіофізика та електроніка. — 2007. — Т. 12, № 1. — С. 185-191. — Бібліогр.: 8 назв. — рос. |
| work_keys_str_mv |
AT sugakvg dinamikaélektričeskihharakteristikgruntovvzavisimostiotfilʹtracionnyhsvoistvporodistratifikaciizonyaéracii AT sugakvg dinamíkaelektričnihharakteristikgruntívvzaležnostívídfílʹtracíinihvlastivosteiporídtastratifíkacíízoniaeracíí AT sugakvg dynamicalpropertiesofsoilelectriccharacteristicsdependingonfilteringpropertiesofrockandstratificationofazoneofaeration |
| first_indexed |
2025-11-25T21:02:27Z |
| last_indexed |
2025-11-25T21:02:27Z |
| _version_ |
1850545397635743744 |
| fulltext |
__________
ISSN 1028-821X Радиофизика и электроника, том 12, №1, 2007, с. 185-191 © ИРЭ НАН Украины, 2007
УДК 621.371.332.4
ДИНАМИКА ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ГРУНТОВ В ЗАВИСИМОСТИ
ОТ ФИЛЬТРАЦИОННЫХ СВОЙСТВ ПОРОД И СТРАТИФИКАЦИИ ЗОНЫ АЭРАЦИИ
В. Г. Сугак
Институт радиофизики и электроники им. А. Я. Усикова НАН Украины
12, ул. Ак. Проскуры, Харьков, 61085, Украина
E-mail: ire@ire.kharkov.ua
Изложен метод, позволяющий связать процессы фильтрации влаги в слоях зоны аэрации (ЗА) с их электрическими ха-
рактеристиками. В основе метода лежит численное решение уравнений фильтрации влаги, в результате чего получается распреде-
ление влажности по глубине в ЗА. Затем на основе электродинамической модели, связывающей физические характеристики слоев
ЗА с их электрическими характеристиками, вычисляется распределение комплексной диэлектрической проницаемости по глубине.
Ил. 8. Табл. 2. Библиогр.: 8 назв.
Ключевые слова: электрические характеристики пород, зона аэрации, фильтрация влаги.
Одной из проблем, сдерживающих широ-
кое применение георадиолокаторов подповерхно-
стного зондирования для решения задач инженер-
ной геологии, является сложность интерпретации
результатов в условиях ограниченной априорной
информации. Одна из причин этого - сложность
гидрогеологических процессов, связанных с
фильтрацией влаги в породах ЗА, которые опреде-
ляют в значительной мере ее электродинамические
свойства [1, 2]. Речь идет, в первую очередь, об
электрических характеристиках грунтов, которые
определяют распространение радиоволн в ЗА и их
отражение от неоднородностей, каковыми являют-
ся границы литологического состава пород, от-
дельные неоднородности, обусловленные как
флуктуациями влажности, так и другими причи-
нами - слабоконтрастные границы уровня грунто-
вых вод, жидких нефтепродуктов и пр.
Изучение динамических особенностей
электрических характеристик слоев грунта при
изменении влажностного режима зоны аэрации
дает возможность лучше понимать механизмы
рассеяния радиоволн от неоднородностей этой
зоны, что может существенно повысить качество
интерпретации результатов георадарного зонди-
рования. С другой стороны, разработка моделей
фильтрации влаги в ЗА с переходом от физиче-
ских свойств почвы к электродинамическим ха-
рактеристикам, описывающим процессы рассея-
ния радиоволн от неоднородностей этой зоны,
позволит продвинуться в решении обратных за-
дач - восстановлении физических свойств этих
неоднородностей по результатам подповерхност-
ного радиолокационного зондирования.
1. Особенности фильтрации влаги в
ЗА. Решения задач, связанных с фильтрацией
влаги и распространением нефтепродуктов в ЗА,
базируются на уравнениях фильтрации, массооб-
мена и переноса [3-5].
Принимая поровое пространство и жид-
кую фазу несжимаемыми, а газовую фазу - сжи-
маемой, уравнения сохранения массы для воды
(W), органической жидкости (O) и газа (A), могут
быть записаны для трехмерной области в Декар-
товых координатах:
W W W
W rw jij
i j W
S h R
K u
t x x
; (1,a)
O O O
O ro jij
i j O
S h R
K u
t x x
; (1,б)
,
A A
A
A A rA j Aij
i j
S
t
h
K u R
x x
(1,в)
где - пористость;
pS - насыщенность P-й фа-
зы (индекс Р принимает значения W, O или A);
ix , jx - пространственные Декартовы координаты
( , 1,2,3i j ); P ij
K - тензор коэффициента
фильтрации для фазы P; P
P
W
P
h
g
- давление
фазы P, измеряемое в высотах водного столба,
PP - давление фазы P, g - ускорение свободного
падения, W - плотность чистой воды; P - плот-
ность фазы P; P
rp
W
- относительная
плотность фазы P; j
j
zu
x
- единичный гра-
витационный вектор, положительный в восходя-
щем направлении; z - расстояние по вертикали
от плоскости сравнения; PR - объемная плот-
ность источника, поступающего в фазу (+) или из
фазы (-)P; t - время.
В. Г. Сугак / Динамика электрических характеристик…
_________________________________________________________________________________________________________________
186
Величина в квадратных скобках:
p
P rp j Piij
j
h
K u q
x
носит определение
скорости Дарси в фазе P в направлении i .
Если насыщенность флюида - неявная
функция фазовых давлений, уравнения (1) могут
быть решены, используя фазовые давления в ка-
честве основных переменных.
2. Начальные и граничные условия.
Начальные условия для каждой фазы Р должны
быть заданы по всей области потока R как:
1,0P i P ih x h x по R для 0t . (2)
Граничные условия могут быть заданы
как границы первого и второго родов следующим
образом:
2, ,P i P ih x t h x t по 1S для 0t , (2,a)
,Pi i iPi
q n q x t по 2S для 0t . (2,б)
Уравнение (2,a) задает граничное условие
первого рода на границах области 1S . Условие
первого рода для водной фазы выполняется на
границах внутри насыщенного водоносного гори-
зонта, где положительные значения давлений за-
даются согласно принятым вертикальным гидро-
статическим условиям (т. е. W Wth z z , где
Wtz - уровень подземных вод; Wh - давление воды
на уровне z ). Условие первого рода справедливо
на границах просачивания для воды и нефти, если
просачивание происходит при постоянном давле-
нии (поверхностный разлив свободной жидко-
сти). Граничные условия по газовой фазе в ос-
новном соответствуют условию первого рода.
Это нулевое давление на поверхности при кон-
такте с атмосферой, а также отрицательное или
положительное давление при вакуумировании
или в точках закачки.
Уравнение (2,б) обозначает граничное ус-
ловие второго рода (поток жидкости), где
,iPi
q x t - проекция вектора потока на нормаль к
границе. Частный случай граничного условия вто-
рого рода - нулевой по нормали к границе поток
(непроницаемая граница). Граничное условие не-
нулевого потока будет обычно задано на участках
границ, вдоль которых известны скорости притока.
Задание скоростей оттока флюида также возмож-
но, однако могут возникнуть некоторые трудности,
так как скорости оттока часто зависят от фильтра-
ционных свойств, которые не постоянны.
Для решения (1) необходимо иметь зави-
симости между фазовыми давлениями, насыщен-
ностями и коэффициентами фильтрации. Для
описания насыщенность - капиллярное давление,
используют капиллярное давление
aW a Wh h h , (3,a)
oW o Wh h h , (3,б)
ao a oh h h , (3,в)
где aWh , oWh , aoh - фазовые капиллярные давле-
ния газа в воде, нефтепродукта в воде и газа в
нефтепродукте соответственно.
Зависимости, связывающие фазовые ка-
пиллярные давления с насыщенностями, являют-
ся эмпирическими. Параметры таких эмпириче-
ских зависимостей определяют из экспериментов
или используются результаты предыдущих экс-
периментов.
В работе [4] обоснован подход, позво-
ляющий распространить результаты опытов в
двухфазной системе на трехфазную. Для двух-
фазной системы вода - воздух в настоящее время
наиболее часто применяется эмпирическая функ-
ция Ван Генухтена [6]:
1 0
1 0
m
n
aW aW
W
aW
h h
S
h
, (4)
где 1W W m mS S S S - “эффективная”
насыщенность поровой среды водой; mS - “оста-
точная” (неизвлекаемая) насыщенность по воде;
и n - параметры поровой среды и 11m
n
.
Функция Ван Генухтена широко исполь-
зуется при решении задач, связанных с влагопе-
реносом в зоне аэрации.
Уравнения (1) описывают процессы в
наиболее общем случае, когда кроме влаги рас-
сматривается наличие загрязнителя, в частности,
жидких нефтепродуктов. В реальных ситуациях
нефтепродукты присутствуют не только в нефтя-
ной фазе. В результате массообмена они оказы-
ваются также в воде и воздухе.
Следует отметить также, что нефтепро-
дукты - это многокомпонентные смеси, и каждая
из компонент, как правило, характеризуется
своими индивидуальными свойствами, способно-
стями к массообмену и переносу. Для того, чтобы
решать задачи, связанные с восстановлением ок-
ружающей среды, загрязненной нефтепродукта-
ми, необходимы модели, учитывающие не только
многофазную фильтрацию, но и многокомпо-
нентный перенос и массообмен.
Показано [7], что такие модели описы-
ваются системой фазовых уравнений переноса и
массообмена для каждой из компонент. Показано
также, что для целей упрощения последующего
решения такие системы могут быть сведены к
одному объединенному уравнению. Объединение
уравнений может быть проведено для равновес-
ного и неравновесного массообмена.
В. Г. Сугак / Динамика электрических характеристик…
_________________________________________________________________________________________________________________
187
3. Свойства грунтов. Для расчетов много-
фазной фильтрации необходимы следующие пара-
метры: коэффициент фильтрации насыщенной по-
ристой среды в вертикальном W zz
K и горизон-
тальном W xx
K направлениях, пористость грунта
, остаточная насыщенность пор грунта водой mS ,
максимальная остаточная насыщенность нефтепро-
дуктами в случае промачивания грунта водой
max
orS и
параметры эмпирической модели Ван Генухтена
и n для двухфазной системы вода - воздух.
Параметры модели Ван Генухтена могут
быть получены на основе использования данных
о гранулометрическом составе грунтов [7]. Ре-
зультаты лабораторных определений параметров
собраны в открытой базе данных UNSODA на
сервере Агентства охраны окружающей среды
США (EPA USA). Характерные значения пара-
метров приведены в табл. 1.
Таблица 1
Тип почвы SWK ,
[м/сут]
,
[-]
mS ,
[-]
,
[м-1]
n,
[-]
Песок 7,1 0,43 0,09 14,5 2,7
Суглинистый
песок
3,5 0,41 0,15 12,4 2,3
Песчаный суг-
линок
1,06 0,41 0,15 7,50 1,9
Песчаный гли-
нистый сугли-
нок
0,31 0,39 0,26 5,9 1,5
Суглинок 0,25 0,43 0,19 3,6 1,6
Алевритовый
суглинок
0,11 0,45 0,16 2,0 1,4
Глинистый суг-
линок
0,062 0,41 0,22 1,9 1,3
Алеврит 0,060 0,43 0,07 1,6 1,4
Опесчаненная
глина
0,029 0,38 0,26 2,7 1,2
Алевритовый
глинистый суг-
линок
0,017 0,43 0,21 1,0 1,2
Алевритовый
суглинок
0,0048 0,36 0,19 0,5 1,1
Типичные значения для остаточной неф-
тенасыщенности
max
o rS находятся в диапазоне от
0,15 до 0,35. Это значение имеет тенденцию воз-
растать в случае увеличения неоднородности
грунтов и увеличения вязкости жидкостей.
4. Численное моделирование фильтра-
ции влаги в типовых зонах аэрации и ее строе-
нии. Среди многочисленных возможных вариан-
тов структуры ЗА можно выделить наиболее про-
стые, которые встречаются на практике и пред-
ставляют интерес при геофизических изысканиях
с применением георадаров. К таковым относятся:
- ЗА, в которой вначале располагается
слой песка, а затем слой суглинка. Это наиболее
легкий вариант с точки зрения подповерхностно-
го зондирования.
- ЗА, в которой первым от поверхности
слоем является слой суглинка, литологический
состав которого различен, но при всем различии
это смесь одного из типов песка и глинистых
фракций при различном весовом соотношении.
Вторым слоем является слой песка, в котором
может располагаться уровень грунтовых вод.
Толщины этих слоев могут быть различными, но
на практике их значения колеблются обычно от
нескольких метров до десятка метров.
Варианты, в которых присутствуют слои
глины, встречаются реже. Фильтрация влаги и в
таких слоях происходит очень медленно. Такие
слои обычно являются водоупорными слоями и
их граница располагается на глубинах, ниже ко-
торых структура грунта относительно однородна.
Этот случай представляет практический интерес с
точки зрения задач инженерной геологии только
в случае картирования прослоек глины, распола-
гающихся в верхних слоях ЗА.
Ниже приведены результаты численного
моделирования фильтрации влаги в указанных
двух типах ЗА. На рис. 1, 2 приведены типичные
структуры ЗА для этих случаев. На рис. 1 приве-
дено строение ЗА, соответствующее ее первому
типу, т. е. в слое песка находится прослойка суг-
линка песчаного. Размеры области пространства
выбраны, исходя из соблюдения условия о суще-
ственном ее превышении размеров зон, в которых
объемная влажность меняется от одного устано-
вившегося значения к другому при переходе гра-
ницы между слоями или от границы уровня грун-
товых вод к установившемуся значению влажно-
сти в слое, что определяется формулой Ван Ге-
нухтена (4). Свойства почвы даны в табл. 2. На
рис. 2 приведено строение ЗА второго типа: в
слое суглинка находится прослойка песка.
Таблица 2
Название
параметра
Песок
Суглинок
песчаный
Kzz/Khh 1 1
Насыщенное
значение Khh 2,4e-5 8,1e-6
Пористость 0,377 0,496
1,04 0,847
n 6,9 4,8
Остаточная
насыщенность 0,072 0,15
В. Г. Сугак / Динамика электрических характеристик…
_________________________________________________________________________________________________________________
188
Песчаный суглинок
Песок
Поверхность земли
Граничное условие
h
=
2
,2
м
q=0
q=0
q=0
q=0
q=0
q=0
qn=1,0E-7
qv=1,0E-6 qv=1,0E-6
Начальное положение уровня грунтовых вод
Рис. 1. Ограниченная область зоны аэрации первого типа, используемая в численной модели фильтрации влаги
_______________________________________________________
Размер элементарной ячейки в модели со-
ставлял порядка 10 см. Граничные условия выбра-
ны следующим образом. Левая, нижняя и правая
границы выбраны непроницаемыми для потока
воды. На верхней границе задан источник влаги,
эквивалентный осадкам в виде дождя с интенсив-
ностью 3 мм/ч.
_____________________________________
Поверхность земли
Слой песка
Слой суглинка песчаного
q=0
q=0
q=0
q=0
q=0
qv=1,0E-6 qv=1,0E-6
q=0
qn=1,0E-7
Рис. 2. Ограниченная область зоны аэрации второго типа, используемая в численной модели фильтрации влаги
____________________________________________
В качестве основных выводов, следую-
щих из результатов моделирования фильтрации
влаги в ЗА, должны быть выводы о зависимости
объемного содержания влаги от глубины по всей
глубине ЗА. Эти зависимости будут использова-
ны в дальнейшем для расчета распределения
электрических характеристик почвы по глубине,
которые будут получены с таким же дискретным
шагом по глубине, как и в фильтрационной моде-
ли, т. е. с дискретным шагом 10 см.
В результате моделирования были полу-
чены распределения объемной влажности по глу-
бине для всего выбранного пространства. По этим
данным можно построить графики распределения
объемной влажности по глубине в любом сечении
ЗА плоскостью, перпендикулярной к плоскости
рисунков. На рис. 3 и рис. 4 приведены указанные
распределения для ЗА первого и второго типа в
сечении, которое соответствует примерно сере-
дине рисунков. Таким образом, метод позволяет
В. Г. Сугак / Динамика электрических характеристик…
_________________________________________________________________________________________________________________
189
связать гидродинамические процессы фильтра-
ции влаги в зоне аэрации, которые определяют
распределение влаги по глубине этой зоны, с со-
ответствующим распределением комплексной
диэлектрической проницаемости по глубине этой
зоны.
Рис. 3. Распределение объемной влажности по глубине для
зоны аэрации первого типа: кривая 1 - до выпадения осадков;
кривая 2 - при выпадении осадков интенсивностью 3 мм/ч в
течение 100 ч.
Рис. 4. Распределение объемной влажности по глубине для
зоны аэрации второго типа: кривая 1 - без выпадения осадков;
кривая 2 - при выпадении осадков интенсивностью 3 мм/ч в
течение 100 ч.
Анализ результатов моделирования по-
зволяет сделать выводы.
- Характер распределения объемной
влажности по глубине при переходе через грани-
цу слоев зависит от их литологического состава и
последовательности. Например, скачек влажно-
сти больше в том случае, когда первым от по-
верхности слоем является слой песка, а вторым -
слой суглинка песчаного (т. е. при переходе от
слоя с большим значением коэффициента фильт-
рации к слою с малым его значением), особенно,
в случае выпадения осадков. Тогда на границе
этих слоев возникает скачек влажности, причем
вначале, непосредственно перед границей суг-
линка, объемная влажность резко уменьшается, а
затем также резко возрастает до существенных
значений (около 0,3). Это видно из рис. 3, на ко-
тором приведены кривые распределения влажно-
сти по глубине ЗА первого типа. Объясняется это
тем, что в тонком слое непосредственно перед
слоем суглинка влага резко отфильтровывается
этим слоем вследствие его способности более
сильно аккумулировать влагу.
- Переходная область от полного насы-
щения слоя песка (область грунтовой воды) до
установившейся влажности в этом слое составля-
ет около 50 см.
В случае ЗА второго типа, ситуация от-
личается.
- Скачок влажности на первой от поверх-
ности границе (при переходе со слоя суглинка
песчаного к песку) существенно меньше, так как
вследствие малости коэффициента фильтрации в
слое суглинка песчаного объемная влажность в
нем аккумулируется очень медленно. Поэтому
при такой интенсивности осадков объемная
влажность в этом слое существенно не меняется,
в то время как слой песка за счет большего коэф-
фициента фильтрации аккумулирует в себе боль-
ше влаги.
- Установившееся значение объемной
влажности в прослойке песка (около 10%) суще-
ственно меньше, чем соответствующее значение в
прослойке суглинка песчаного (ЗА первого типа),
составляющее примерно 30%.
- Переходная область от полного насы-
щения слоя суглинка песчаного (область грунто-
вой воды) до установившейся влажности в этом
слое составляет около 25-30 см.
Для перехода к распределению электри-
ческих характеристик по глубине ЗА применим
модель электрических характеристик, описанную
в работе [8], к результатам моделирования фильт-
рации влаги для двух типовых структур ЗА, опи-
санных выше. Для этого по кривым зависимости
влажности в грунте от глубины, приведенным на
рис. 3 и 4, с учетом литологического состава по-
род в каждом слое рассчитывались относительная
диэлектрическая проницаемость и удельная про-
водимость. Результаты этих расчетов приведены
ниже на рис. 5 - 8.
На рис. 5, который соответствует ЗА пер-
вого типа, приведены зависимости относительной
диэлектрической проницаемости от глубины. На
В. Г. Сугак / Динамика электрических характеристик…
_________________________________________________________________________________________________________________
190
рис. 6 приведены кривые зависимости удельной
проводимости от глубины.
Рис. 5. Распределение относительной диэлектрической прони-
цаемости по глубине в ЗА первого типа до выпадения (кри-
вая 1) и после выпадения осадков (кривая 2) в виде дождя
интенсивностью 3 мм/ч в течение 100 ч.
На рис. 6 и 7 приведены аналогичные за-
висимости для ЗА второго типа.
Из рисунков можно видеть, что в целом
ход зависимостей электрических характеристик в
слоях ЗА первого и второго типов совпадает с
ходом зависимостей, описывающих распределе-
ние влаги по глубине.
Рис. 6. Распределение удельной проводимости по глубине в
ЗА первого типа до выпадения (кривая 1) и после выпадения
осадков (кривая 2) в виде дождя интенсивностью 3 мм/ч в
течение 100 ч.
Рис. 7. Распределение относительной диэлектрической прони-
цаемости по глубине в ЗА второго типа до выпадения (кри-
вая 1) и после выпадения осадков (кривая 2) в виде дождя
интенсивностью 3 мм/ч в течение 100 ч.
Рис. 8. Распределение удельной проводимости по глубине в
ЗА второго типа до выпадения (кривая 1) и после выпадения
осадков (кривая 2) в виде дождя интенсивностью 3 мм/ч в
течение 100 ч.
Выводы. Анализ полученных результа-
тов показывает, что выпадение осадков для ЗА
второго типа существенно меньше сказывается на
изменении электрических характеристик в пер-
вом от поверхности Земли слое и на первой гра-
нице (в данном случае суглинок - песок), чем для
ЗА первого типа. В ЗА первого типа эти измене-
ния имеют порядок величин 4 ед. для и
0,34 См/м для .
Скачок электрических характеристик на
второй от поверхности границе имеет разный
знак для ЗА первого и второго типов. В частно-
В. Г. Сугак / Динамика электрических характеристик…
_________________________________________________________________________________________________________________
191
сти, в ЗА второго типа электрические характери-
стики изменяются от меньших значений к боль-
шим (от 8 ед. для до 25 ед. и для от 0,025
до 0,175 См/м), в то время как для ЗА первого
типа эти характеристики меняются от больших
значений к меньшим (для от 23 до 6 и для
от 0,15 до 0,03 См/м).
В ЗА второго типа скачок относительной
диэлектрической проницаемости и удельной про-
водимости на первой границе (в данном случае
суглинок - песок) существенно меньше, чем для
ЗА первого типа (песок-суглинок). Для ЗА второ-
го типа диэлектрическая проницаемость изме-
няется на 5-7 ед., а удельная проводимость на
0,055 См/м, в то время как для ЗА первого типа
меняется на 10-15 ед., а - на 0,35 См/м.
Таким образом, приведенные результаты
показывают, что изменение фильтрационных
свойств пород ЗА существенно сказывается на
изменении их электрических характеристик.
Диапазон изменения электрических ха-
рактеристик по глубине ЗА существенно зависит
от ее стратификации (значение имеет как литоло-
гический состав пород, так и их особенности рас-
положения по глубине).
1. Scott W. R. and Smith G. S. Measured Electrical Constitu-
tive Parameters of Soil as Functions of Frequency and Mois-
ture Content // IEEE Trans, on Geosci. Remote Sensing. -
1992. - 30. - P.621-623.
2. Сугак В. Г., Овчинкин О. А., Сугак А. В. Интерпретация
результатов георадиолокационного подповерхностного
зондирования в условиях отсутствия априорных данных //
Харьков: Ин-т радиофизики и электрон. НАН Украины. -
2005. - 11, №1. - С.78-86.
3. Bear J. Dynamics of Fluids in Porous Media: American
Elsevier. - New York. - 1972. - 344 p.
4. Parker J. C. Multiphase flow and transport in porous media.
Reviews of Geophysics. - 1989. - 27. - Р.311-328.
5. Parke J .C., Lenhard R. J., Kuppusamy T. A parametric
model for constitutive properties governing multiphase flow
in porous media. Water Resour. - 1987. - Res. 23. - Р.618-
624.
6. Van Genuchten M. Th. (1980). A closed-form equation for
predicting the hydraulic conductivity of unsaturated soils.
Soil Sci. Soc. Am. 44. - Р.892-898.
7. Katyal A. K., Kaluarachchi J. J., Parker J. C. MOFAT: A
Two-Dimensional Finite Element Program for Multiphase
Flow and Multicomponent Transport. Virginia Polytechnic
Inst. and State Univ., Blacksburg. - 1991.
8. Овчинкин О. А., Сугак В. Г. Влияние электрических
свойств грунта на характеристики сигнала при подпо-
верхностном зондировании // Радиофизика и электрони-
ка. - Харьков: Ин-т радиофизики и электрон. НАН Ук-
раины. - 2001. - 6, №2-3. - С.235-241.
DYNAMICAL PROPERTIES OF SOIL ELECTRIC
CHARACTERISTICS DEPENDING ON
FILTERING PROPERTIES OF ROCK AND
STRATIFICATION OF A ZONE OF AERATION
V. G. Sugak
It is stated method allowing to connect moisture filtering processes
in subsurface layers of zone of aeration (ZA) with their electrical
constants. The method is based on numerical decision of moisture
filtering equations. As a result it is obtained a distribution of mois-
ture in ZA on depth. And on the basis of electro dynamical model
of electrical constants of soils it is calculated a distribution of
complex dialectical permeability on a depth.
Key words: electric characteristics of rock, zone of aeration,
moisture filtering.
ДИНАМІКА ЕЛЕКТРИЧНИХ
ХАРАКТЕРИСТИК ҐРУНТІВ В ЗАЛЕЖНОСТІ
ВІД ФІЛЬТРАЦІЙНИХ ВЛАСТИВОСТЕЙ
ПОРІД ТА СТРАТИФІКАЦІЇ ЗОНИ АЕРАЦІЇ
В. Г. Сугак
Викладено метод, що дозволяє зв'язати процеси фі-
льтрації вологи в шарах зони аерації (ЗА) з їхніми електрич-
ними сталими. В основі методу лежить чисельне рішення
рівнянь фільтрації вологи, у результаті чого виходить розпо-
діл вологості по глибині в ЗА. Потім на основі електродина-
мічної моделі, що зв'язує фізичні характеристики шарів ЗА з
їхніми електричними характеристиками, обчислюється розпо-
діл комплексної діелектричної проникності по глибині.
Ключові слова: електричні характеристики порід,
зона аерації, фільтрація вологи.
Рукопись поступила 9 ноября 2006 г.
|