книги из ГПНТБ / Шкинкис, Ц. Н. Проблемы гидрологии дренажа

УДК 631.6 : 626.86

J? r/ W & -Ш t y

В книге обобщены систематические исследования действия дре­ нажа, проведенные на 200 дренажных системах с различными рас­ стояниями между дренами, глубиной закладки дрен и др. Рассмот­ рены особенности гидрологического действия дренажа на легких и тяжелых минеральных, а также на торфяных почвах в различные сезоны года.

Изложены методы определения основных расчетных парамет­ ров дренажа и показаны практические возможности использования метода гидрологической аналогии при определении этих параметров.

Книга рассчитана на инженеров и техников, работающих в об­ ласти гидрологии и мелиорации.

The book summarizes the systematical investigations of the drai­ nage effect, carried on 200 drainage systems with different distances

ОТ РЕДАКТОРА

Цель сельскохозяйственной мелиорации — создать усло­ вия, при которых на мелиорируемых землях можно получать мак­ симально возможный (в данных климатических условиях) урожай сельскохозяйственных культур. Поэтому расчет мелиоративной си­ стемы должен начинаться с расчета водопотребления той или иной культуры в различные периоды ее развития, сопоставления полу­ ченных величин с количеством выпавших атмосферных осадков и переходящими запасами влаги в почве и т. д., т. е. с расчетов водного баланса территории. Только при таком расчете можно обоснованно выбрать систему мелиорации. В зоне периодического избыточного увлажнения страны создавать необходимый водный режим почв возможно лишь путем применения мелиоративных си­ стем двустороннего действия, обеспечивающих как осушение, так и орошение. Однако по ряду причин такие системы пока еще стро­ ятся редко. Применяется в основном дренаж, которым обеспечи­ вается лишь одностороннее регулирование водного режима почв пу­ тем сброса избыточных вод во влажные периоды, и при проектиро­ вании которого воднобалансовые расчеты не делаются. Поэтому и в данной монографии о водном балансе почв говорится сравни­ тельно мало.

Предлагаемая монография выгодно отличается от большинства работ, посвященных проблемам мелиорации. Очень часто о гидро­ логическом действии дренажа судят либо на основании теоретиче­ ских расчетов, либо по материалам кратковременных наблюдений за величиной дренажного стока.

В основу монографии Ц. Н. Шкинкиса положен большой фак­ тический материал — 12—14-летние наблюдения на целом ряде дренажных систем, расположенных на территории Латвии на раз­

о необходимости рассматривать раздельно фазы подъема и спада дренажного стока впаводочный период и т. д. Поэтому монография «Проблемы гидрологии дренажа» будет интересна не только для мелиораторов и агрономов, работающих на осушенных землях, но и для гидрологов и полеводов, занимающихся изучением избыточ­ но-увлажненных земель, а также для студентов соответствующих вузов.

В. В. Романов

1*

ВВЕДЕНИЕ

1.Понятие о гидрологическом действии дренажа

Взоне избыточного увлажнения гидрологический режим дренированных почв в значительной степени обусловливается ре­

жимом действия дренажа. Основными характеристиками действия дренажа являются дренажный сток, уровень грунтовых вод и влажность почвы.

При изучении гидрологического действия дренажа и его изме­ нения во времени рассматриваются процессы формирования дре­ нажного стока, режим стока и уровня грунтовых вод, влажности дренированных почв в зависимости от различных природных и тех­ нических факторов (свойств почвы, вида водного питания, клима­ тических условий, вида и конструкции дренажа, глубины закладки дрен, расстояния между дренами и др.). Рассматриваются также методы использования характеристик стока и водного режима этих почв при определении расчетных параметров дренажа. Исходными материалами для анализа служат полевые и лабораторные наблю­ дения за основными показателями гидрологического действия дре­ нажа.

Многочисленные вопросы гидрологического действия дренажа трудно отделить от вопросов гидравлики дренажа; иногда они взаимно переплетаются и их можно отнести как к гидрологии, так и к гидравлике. Закономерности гидрологического действия дре­ нажа в сочетании с теорией фильтрации дают возможность решить ряд вопросов проектирования мелиоративных систем, определить расчетные параметры дренажных сооружений.

В зоне избыточного увлажнения дренаж в основном применя­ ется для осушения активного слоя переувлажненных почв, а в за­

а также верховых болот, используемых для промышленной торфо­ добычи. Знания о гидрологическом действии дренажа необходимы при изучении гидрологических процессов на малых и средних ре­ ках, бассейны которых в той или иной степени дренированы (в При­ балтике имеются водосборы, дренированная площадь которых со­ ставляет 70% и больше).

4

Вопрос об изучении гидрологического действия дренажа осо­ бенно остро ставится в последнее время в связи с резким расши­ рением дренажного строительства в нашей стране, вызванным главным образом возрастающей интенсификацией сельскохозяй­ ственного производства. О развитии дренажных работ могут сви­ детельствовать некоторые данные, приведенные в табл. 1.

Таблица 1

Развитие осушительных работ в период 1945—1969 гг. (на примере Латвийской ССР)

В нашей работе рассматриваются вопросы гидрологического действия дренажа, применяемого на избыточно увлажненных сель­ скохозяйственных землях в западных районах Советского Союза. Наряду с вопросами гидрологического характера в книге рассмат­ риваются некоторые технические и технико-экономические вопросы определения необходимой интенсивности осушения, диктуемые практикой осушительных мелиораций. Кроме того, в нее включен ряд практических предложений и рекомендаций, вытекающих из исследований интенсивности и эффективности гидрологического действия дренажа.

2. Краткая характеристика развития дренажного строительства и научных исследований. Некоторые проблемы дренирования почв

Несмотря на то что дренаж был известен почти 4 тыс. лет тому назад, широкое его применение для осушения сельскохо­ зяйственных земель началось только в XVIII в. в Англии, а в се­ редине XIX в. — в континентальной Европе. В это время дренаж начали внедрять и на усадьбах немецких помещиков в Прибал­ тике. Первый гончарный дренаж здесь был построен в 1850 г. в имении Пуню (теперь совхоз «Валгале» Талсинского района Лат­ вийской ССР). До 1914 г. в Латвии дренажем было осушено около 20 тыс. га переувлажненных земель.

После первой мировой войны в буржуазных государствах При­ балтики дренаж начал широко применяться в 30-х годах. В период

5

с .1920 по 1940 г. в Латвии дренажем было осушено 46 тыс. га,

вЭстонии 18 тыс. га, в Литве 12 тыс. га.

Впервые 10 лет после Великой Отечественной войны в СССР

дренаж строился мало; переувлажненные почвы в основном осу­ шались открытой осушительной сетью. После 1956 г. удельный вес

дренажа в республиках Прибалтики резко возрос. Начиная с 1961 г. дренажем здесь осушается более 50% сельскохозяйствен­ ных земель, т. е. дренаж становится основным видом осушения (см. табл. 1); после 1965 г. удельный вес дренажа возрос до 90%. Аналогичная тенденция наблюдается и в других республиках. Если в 1965 г. удельный вес дренажа в строительстве осушитель­ ных систем в целом по стране составлял 30%, то в 1969 г. уже превышал 50%.

Очень большой размах осушительных работ в СССР предусмат­ ривается в ближайшем будущем. Так, с 1966 по 1975 г. предпола­ гается увеличить площадь осушенных земель на 15—16 млн. га, в основном применяя дренаж. При выполнении этого плана пло­ щадь дренированных земель в целом по стране возрастает в не­ сколько раз. При таких масштабах дренажного строительства ис­ ключительно валено правильно определить расчетные параметры дренажа, в том числе расчетную густоту дренажной сети и глу­ бину закладки дрен, что невозможно без проведения соответству­ ющих исследований действия дренажа в зависимости от различных факторов.

Целесообразность применения дренажа при осушении переув­ лажненных торфяных и минеральных почв доказана более чем столетним практическим опытом в Прибалтике и за рубежом. Од­ нако многие вопросы по дренированию этих почв являются неяс­ ными и спорными, в том числе: об особенностях формирования дре-

при формировании стока (особенно на тяжелых почвах); о влия­ нии степени дренирования (расстояния между дренами и глубины закладки дрен) и вида дренажа на дренажный сток, режим уров­ ней грунтовых вод и влажность почвы; о значении дренажа в ре­ гулировании водного режима почв в холодный период года при наличии мерзлоты; об определении нормы удельного дренажного стока для гидравлических расчетов дренажа; об оптимальном диаметре осушительных дрен; о влиянии различных агромелиора­ тивных мероприятий на водный режим почв; о применяемом виде дренажа при осушении садов и площадей под другими насажде­ ниями; об обеспечении долговечности дренажа; об оптимальной густоте дренажной сети и глубине закладки дрен; о применении различных видов пластмассового дренажа и др. Внимание спе­ циалистов в настоящее время сосредоточено на определении рас­ четной степени дренирования. Это объясняется необходимостью увеличения интенсивности осушения переувлажненных почв для обеспечения повышенных требований к водному режиму на этих

6

почвах, выдвигаемых интенсификацией сельскохозяйственного производства.

При повышении интенсивности регулирования водного режима почв общепризнанным приемом является уменьшение расстояний между дренами Е. Но, как отмечено выше, вопрос об оптималь­ ных Е еще не выяснен, и в разных странах, а также в разных республиках СССР рекомендуются самые различные величины Е. При этом характерно, что меньшие расстояния между дренами рекомендуются в странах с более высоким уровнем сельскохозяй­ ственного производства. Так, в ГДР, ФРГ, Англии, Чехословакии применяются в 1,5—2 раза меньшие величины Е, чем в Латвийской ССР.

Определенные разногласия также существуют по вопросу о роли глубины закладки дрен t при обеспечении оптимальной интен­ сивности осушения. Для характеристики этого приведем пример по рекомендуемым и применяемым t на переувлажненных легких суглинистых и супесчаных почвах, при осушении которых роль глубины дренажа оспаривается меньше всего. Так, при первом бо­ лее серьезном обсуждении вопроса об оптимальной глубине за­ кладки дрен (1846 г.) в Англии на легких минеральных почвах рекомендовался дренаж глубиной не менее 1,22 м. В XIX в. и на­ чале XX в. в Англии на этих почвах применялся дренаж глубиной 1,10—1,37 м, а в настоящее время до 1,8 м. В Германии в конце XIX в. и начале XX в. на суглинистых почвах в основном рекомен­ довался дренаж глубиной 1,3—1,5 м, а для технических культур и люцерны— 1,5—2,0 м [233, 258]. Такой глубокий дренаж в это время строился также в Латвии и Эстонии. Дренаж глубиной до 1,5 м рекомендовался в Голландии и Дании. Во Франции на песча­ ных и суглинистых почвах применялся дренаж от 1,27 до 1,50 м. В настоящее время в ФРГ на среднетяжелых и легких почвах реко­ мендуется дренаж глубиной 1,2—1,3 м, а для технических куль­ тур— 1,3—1,8 м [283], т. е. существует некоторая тенденция к уменьшению глубины закладки дрен; в США и Англии, наоборот, отмечается тенденция к увеличению t [201, 240, 263].

По сравнению с большинством западноевропейских стран мень­ шая глубина дрен рекомендуется в СССР, особенно в северо-за­ падной зоне РСФСР. В этой зоне на супесчаных' и средних сугли­ нистых почвах рекомендуется t от 0,9 до 1,0 м, а на легких сугли­ нистых почвах — от 0,9 до 1,2 м [35]. После. 1945 г. примерно такие же значения t применялись и в Латвийской ССР. Однако в настоя­ щее время нормативная величина t несколько увеличена и для лег­ ких суглинистых и супесчаных почв составляет 1,2—1,3 м [268].

Еще большие разногласия существуют по оптимальной степени дренирования (Е и t) тяжелых слабопроницаемых почв. Больше того, нет даже единого мнения по применяемому виду осушения этих почв (см. главу II).

Ряд актуальных проблем появился с началом применения в дренажном строительстве пластмасс и других новых материалов. Не выяснен вопрос об оптимальном диаметре дрен, о виде и

7

величине водоприемных отверстий, о водоприемной способности различных видов пластмассовых дрен и др.

Одной из главных причин неясностей и разногласий по ряду упомянутых вопросов является явный недостаток материалов не­ посредственных систематических наблюдений за гидрологическим действием дренажа. Без изучения особенностей формирования дре­ нажного стока, режима уровней грунтовых вод и влажности почвы в зависимости от глубины закладки дрен, расстояний между дре­ нами, диаметра осушительных дрен и других факторов вряд ли представится возможным решить упомянутые вопросы. Наряду с этими исследованиями необходимо также усилить теоретические исследования действия дренажа, а также работу по моделирова­

нажа дальше развивали И. Дюпюи, И. Роте [278] и др. Основные положения теории фильтрации грунтовых вод разработали наши отечественные ученые: Н. Н. Павловский, Л. С. Лейбенсон, В. В. Ведерников, П. Я. Полубаринова-Кочина, С. Н. Нуме­

А. И. Мурашко, У. X. Томберг, А. И. Янголь и др. Из зарубежных ученых в этом отношении надо упомянуть И. С. Чайлдс, Я. Донат, Л. Ернст, С. Хоогхауд, Д. Керкем, Дж. Н. Лютин, Я. Шильфгарде, Г. Шваб, В. Виссер и др.

Теоретические исследования действия дренажа на основе за­ конов гидромеханики достигли высокого уровня уже в 30-е годы. Результаты этих исследований на практике применялись относи­ тельно мало из-за сложности учета всех природных условий, в том числе гидрологических, гидрогеологических, почвенных и др. По­ этому до настоящего времени основные расчетные параметры дре­ нажа в большинстве случаев определялись лишь на основании су­ ществующего практического опыта с применением эмпирических зависимостей. Видимо, поэтому в последнее время в литературе ча­ сто отмечается необходимость проведения обширных систематиче­ ских исследований гидрологического действия дренажа в полевых условиях, а также то, что наилучшим масштабом моделирования дренажа является 1: 1. [286]. Однако такие исследования начаты относительно недавно.

Некоторые наблюдения за отдельными показателями действия дренажа в натуре начались уже в конце прошлого века. В начале XX в. публикуются первые результаты этих исследований. Так, Ф. Крейтер [258] приводит данные, показывающие, что на мине­ ральных почвах одинаковую интенсивность регулирования водного режима обеспечивает как частый систематический, так и более глубокий разреженный дренаж. Позднее этот принцип был отра­ жен в рекомендациях и инструкциях по проектированию дренажа

[218, 268, 283, 291].

8

В 20 и 30-х годах наблюдения за действием дренажа расширя­ ются в Германии, Финляндии, Англии, СССР и других странах [77, 102, 236, 248, 279]. Некоторые полевые исследования дренажа проводятся и в Прибалтике (А. Рубенис, А. Курсиш, Я. Бауманис и др.). Однако при анализе гидрологического действия дренажа мало что можно использовать из результатов полевых наблюде­ ний того времени, так как они были кратковременными.

Как известно, до 50-х годов в Советском Союзе дренаж в ши­ роких масштабах применялся лишь в Прибалтике. В этих респуб­ ликах проведены основные, т. е. наиболее обширные и продолжи­ тельные, исследования гидрологического действия дренажа на раз­ личных типах переувлажненных почв.

Рис. 1. План Петерлаукского участка опытного дренажа (Елгавский район Латвийской ССР).

Первые наиболее широкие методически выдержанные опыты изучения гидрологического действия дренажа в нашей стране были организованы в 1948 г. на тяжелых дерново-карбонатных почвах Петерлаукской опытно-мелиоративной станции, расположенной на Земгальской низменности Латвийской ССР [145]. Как видно из рис. 1, на опытном участке заложено девять вариантов дренажа при различных глубинах закладки дрен (0,9; 1,2 и 1,5 м) и рассто­ яниях между дренами (10, 16 и 22 м), а также недренированный (контрольный) вариант. В начале 50-х годов в Латвийской ССР начались систематические круглогодовые исследования гидрологи­ ческого действия дренажа еще на нескольких других опытных участках [112].

Работы по изучению гидрологического действия дренажа в Лат­ вии особенно начали развиваться начиная с 1957 г. Исследо­ вания распространились почти на всю территорию республики,

9